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BiochimicaPanoramica generale

IndiceVociProteine 1

Amminoacido 1Proteina 9

Carboidrati 20Glucidi 20Glucosio 26Glicogeno 30Amido 31Cellulosa 33

Lipidi 37Lipidi 37Trigliceride 40

Enzimi 42Enzima 42Catalisi enzimatica 59Inibitore enzimatico 68Cinetica di Michaelis-Menten 81

NoteFonti e autori delle voci 84Fonti, licenze e autori delle immagini 85

Licenze della voceLicenza 87

1Proteine

AmminoacidoIn chimica gli amminoacidi sono molecole organiche che nella loro struttura recano sia il gruppo funzionaleamminico (delle ammine) (-NH2) sia quello carbossilico (degli acidi carbossilici) (-COOH).In biochimica il termine amminoacidi si riferisce pi spesso agli L--amminoacidi, di formula genericaNH2CHRCOOH, cio quelli il cui gruppo amminico ed il cui gruppo carbossilico sono legati allo stesso atomo dicarbonio (chiamato appunto carbonio ) in configurazione L (con l'unica eccezione della glicina, achirale, in cui -R= -H). a questo tipo di amminoacidi che il presente articolo dedicato.

GeneralitGli amminoacidi sono, tra le altre cose, gli elementi costitutivi (monomeri) delle proteine[1].Per eliminazione di una molecola di acqua (reazione di condensazione con eliminazione), il gruppo amminico di unamminoacido pu legarsi al gruppo carbossilico di un altro formando un legame ammidico (o peptidico)

H2N-CH-COOH + H

2N-CH-COOH --> H

2N-CH-CO-NH-CH-COOH + H

2O

| | | |

R R' R R'

il legame covalente che unisce i due amminoacidi, evidenziato in rosso, prende anche il nome in biochimica di"legame peptidico" o "giunto peptidico". Si noti come l'unione di due o pi amminoacidi lasci alle due estremitdella catena altri due gruppi liberi, che possono ulteriormente reagire legandosi ad altri amminoacidi (reazioni diquesto genere rientrano nella classe pi generale delle polimerizzazioni per condensazione). Una catena di piamminoacidi legati attraverso legami peptidici prende il nome generico di polipeptide o di oligopeptide se il numerodi amminoacidi coinvolti limitato; uno o pi polipeptidi, a volte accompagnati da altre strutture ausiliarie o ionidette cofattori o gruppi prostetici, costituiscono una proteina.Gli amminoacidi che compaiono nelle proteine di tutti gli organismi viventi sono 20 (anche se evidenze recentisuggeriscono che questo numero potrebbe aumentare fino a 23, vedi pi sotto) e sono sotto il controllo genetico, nelsenso che l'informazione del tipo e della posizione di un amminoacido in una proteina codificata nel DNA.Talvolta, nelle proteine compaiono anche altri amminoacidi, pi rari, detti occasionali che vengono prodotti permodifiche chimiche successive alla biosintesi della proteina, che avviene sul ribosoma.In natura sono stati finora scoperti oltre 500 amminoacidi diversi che non fanno parte di proteine e svolgono ruolibiologici diversi. Alcuni sono stati addirittura trovati nelle meteoriti. Piante e batteri sono in grado di biosintetizzareamminoacidi particolari, che possono essere trovati, per esempio, negli antibiotici peptidici, ad esempio la nisina el'alameticina. La lantionina un solfuro dimero dell'alanina che si trova insieme ad amminoacidi insaturi neilantibiotici, ovvero antibiotici peptidici di origine batterica. L'acido 1-amminociclopropan-1-carbossilico (ACC) unsemplice amminoacido ciclico disostituito che funge da intermedio nella sintesi dell'etilene, che per gli organismivegetali un ormone.Oltre a quelli coinvolti nella biosintesi delle proteine, vi sono amminoacidi che svolgono importanti funzionibiologiche quali la glicina, l'acido gamma-amminobutirrico (GABA, un amminoacido) e l'acido glutammico (treneurotrasmettitori), la carnitina (coinvolta nel trasporto dei lipidi all'interno della cellula), l'ornitina, la citrullina,l'omocisteina, l'idrossiprolina, l'idrossilisina e la sarcosina.

Amminoacido 2

Dei venti amminoacidi proteici, alcuni sono definiti essenziali[1]. Un amminoacido definito essenziale seall'interno dell'organismo non sono presenti le strutture (enzimi, proteine di sintesi) necessarie a biosintetizzarlo; perci necessario che questo amminoacido venga introdotto con la dieta. Gli amminoacidi essenziali sono la lisina, laleucina, l'isoleucina, la metionina, la fenilalanina, la treonina, il triptofano, la valina e l'istidina. Riguardo all'istidina, importante precisarne l'essenzialit: l'istidina un amminoacido essenziale durante tutta la vita, ma durante l'etadulta il fabbisogno non molto rilevante, poich l'organismo riesce a conservarla in modo particolarmenteefficiente, riducendone la richiesta biologica. Nei bambini e nelle donne in gravidanza la richiesta di istidina invece molto pi alta perch questo meccanismo non si ancora sviluppato.Esistono poi amminoacidi condizionatamente essenziali, ossia che devono essere assunti con la dieta solo in alcuniperiodi della vita o a causa di alcune patologie. Di questo gruppo fanno parte l'arginina ( sintetizzata dall'organismocome derivato del glutammato prodotto nel Ciclo di Krebs, ma nelle donne in gravidanza e nei bambini la suaproduzione non sufficiente a coprire la richiesta biologia, perci deve essere assunta con la dieta), la tirosina (prodotta a partire dall'amminoacido essenziale fenilalanina, perci necessario assumere quest'ultima con la dietaper sintetizzarla; inoltre non sono infrequenti i casi di fenilchetonuria, una patologia che descrive l'incapacitdell'organismo di metabolizzare la fenilalanina, che perci non trasformata in tirosina e si accumula provocandogravi danni all'organismo), e la cisteina (per la sua sintesi, derivata dalla glicolisi, necessario il contributo dellametionina, un altro amminoacido essenziale, perch rende possibile la presenza del gruppo sulfidrilico dellacisteina). Va infine precisato che il concetto di essenzialit varia a seconda degli organismi[2][3].Una nota particolare meritano due amminoacidi, detti occasionali,: la selenocisteina, corrispondente ad un codoneUGA che normalmente un codone di interruzione[4], e la pirrolisina, presente negli enzimi di alcuni batterimetanogeni coinvolti nel processo di generazione del metano, corrispondente ad un codone UAG[5]. La scoperta delprimo, nel 1986, venne interpretata dalla comunit scientifica come un fenomeno marginale e ristretto. Tuttavia,dopo la scoperta del secondo amminoacido extra, nel 2004, la comunit scientifica internazionale sta rivedendo lesue posizioni, e si aperta la caccia ad altri amminoacidi extra.

Amminoacidi di interesse commerciale o farmacologico Il glutammato sodico usato nell'industria alimentare come esaltatore di sapidit La L-diidrossifenilalanina (L-DOPA) un farmaco usato per il trattamento del morbo di Parkinson[6]. Il 5-idrossitriptofano (5-HTP) stato usato per il trattamento dei sintomi neurologici associati alla fenilchetonuria. L'acido gamma-amminobutirrico o GABA ha diverse funzioni fisiologiche (neurotrasmissione, ipotensivo, effetti

diuretici, effetto tranquillizzante, prevenzione del diabete). Utilizzato come farmaco ed integratore, anchecontenuto naturalmente in alcuni alimenti fermentati.

Amminoacido 3

Struttura generica degli amminoacidi

Struttura generica di un amminoacido. R rappresenta un gruppo laterale specificodi ogni amminoacido.

Ogni amminoacido presenta uno specificogruppo laterale (detto anche gruppo R). Infunzione delle propriet chimiche di talegruppo, un amminoacido viene classificatocome acido, basico, idrofilo (o polare) eidrofobo (o apolare).

L'ingombro dei vari gruppi R che sporgonodalla catena polipetidica, l'affinit reciprocatra gruppi polari e tra gruppi apolari,l'attrazione tra gruppi basici e gruppi acidisono alcune delle forze che concorrono amodellare la conformazione della proteinanello spazio (la struttura terziaria),conformazione dalla quale dipende in modoessenziale l'attivit biologica della proteinastessa.

A causa della basicit del gruppo amminico e dell'acidit di quello carbossilico, gli amminoacidi isolati si presentanoin forma di zwitterioni, cio molecole che recano contemporaneamente le due cariche opposte, mantenendo laneutralit.

COO-

|

H-C-R

|

NH3+

l'attrazione tra le cariche opposte tra pi zwitterioni spiega inoltre perch gli amminoacidi isolati sono polvericristalline, a differenza delle ammine e degli acidi carbossilici aventi peso molecolare simile.

IsomeriaCon l'eccezione della glicina, per la quale R un atomo di idrogeno, gli amminoacidi sono molecole chirali, diciascuna delle quali esistono due enantiomeri.Come convenzionalmente avviene per le molecole di interesse biochimico, gli enantiomeri degli amminoacidi sonocontrassegnati dalle lettere D o L a seconda che i sostituenti legati all'atomo di carbonio asimmetrico abbianodisposizione simile a quella della L-gliceraldeide o a quella della D-gliceraldeide.La stragrande maggioranza delle proteine sintetizzate da organismi viventi formata da amminoacidi L. Qualcheamminoacido D stato trovato in proteine prodotte da organismi che vivono negli abissi marini e nelle pareticellulari di alcuni batteri. Amminoacidi D sono presenti anche nel veleno di alcuni animali come molluschi (coni),oppure nelle secrezioni mucose di alcune specie anfibie.

Amminoacido 4

Gli amminoacidi ordinari

StruttureQueste sono le strutture dei 20 L-amminoacidi ordinari, cui vanno aggiunti i due codificati da codoni di stop, inparticolari condizioni e solo in alcune specie: la pirrolisina e la selenocisteina.L'atomo di idrogeno legato all'atomo di carbonio stereogenico sotto il piano di lettura, il gruppo amminico sporgedal piano di lettura verso l'osservatore (con l'eccezione della prolina, in cui a sporgere verso l'osservatore il gruppocarbossilico). L'alchile R distintivo per ogni amminoacido appare alla sinistra del gruppo amminico.

(+) Alanina (Ala, A)

(+) Arginina (Arg, R)

() Asparagina (Asn, N) (+) Acido aspartico (Asp, D)

() Cisteina (Cys, C) Glicina (Gly, G)

(+) Acido glutammico (Glu, E) (+) Glutammina (Gln, Q)

() Istidina (His, H) (+) Isoleucina (Ile, I)

() Leucina (Leu, L) (+) Lisina (Lys, K)

Amminoacido 5

() Metionina (Met, M) () Fenilalanina (Phe, F)

() Prolina (Pro, P)() Serina (Ser, S)

() Treonina (Thr, T)

() Triptofano (Trp, W)

() Tirosina (Tyr, Y)

(+) Valina (Val, V)

Propriet chimicheI 20 amminoacidi standard possono essere divisi in gruppi a seconda della carica e della polarit delle loro catenelaterali: Catene laterali neutre apolari: alanina, fenilalanina, glicina, isoleucina, leucina, metionina, prolina, triptofano,

valina Catene laterali neutre polari: asparagina, cisteina, glutammina, serina, tirosina, treonina Catene laterali cariche acide: aspartato, glutammato Catene laterali cariche basiche: arginina, istidina, lisinaGli amminoacidi standard hanno delle propriet chimiche in comune: sono tutti -amminoacidi (ovvero, il gruppo amminico ed il gruppo carbossilico sono legati allo stesso atomo di

carbonio) a pH fisiologico si trovano in forma di zwitterioni presentano attivit ottica e si trovano tutti nella forma LQuella che segue una tabella che riassume nell'ordine il simbolo convenzionale ad una lettera il simbolo convenzionale a tre lettere il nome il tipo di gruppo laterale R il peso molecolare (PM)

Amminoacido 6

il punto isoelettrico (pI) la costante di dissociazione acida del gruppo carbossilico (pK1) la costante di dissociazione acida del sale del gruppo amminico (pK2) la costante di dissociazione acida del gruppo R (pKr), dove applicabile eventuali noteper ognuno degli amminoacidi ordinari. Il simbolo convenzionale ad una lettera per un amminoacido generico X; ilsimbolo a tre lettere asx indica indifferentemente sia l'asparagina che l'acido aspartico.

simbolo nome tipo di R PM pI pK1

pK2

pKr

note

A Ala Alanina idrofobo 89,09 6,11 2,35 9,87

C Cys Cisteina idrofilo 121,16 5,05 1,92 10,70 8,37 In ambiente ossidante, due molecole di cisteina si unisconotramite un ponte disolfuro -S-S- dando luogo ad un dimero, lacistina, che invece apolare idrofobo; questo fenomeno nelleproteine permette di unire tra loro punti distanti di una catenapolipeptidica o catene polipeptidiche diverse.

D Asp Acidoaspartico acido 133,10 2,85 1,99 9,90 3,90

E Glu Acidoglutammico acido 147,13 3,15 2,10 9,47 4,07

F Phe Fenilalanina idrofoboaromatico

165,19 5,49 2,20 9,31

G Gly Glicina idrofobo 75,07 6,06 2,35 9,78 Avendo due atomi di idrogeno legati al carbonio , la glicina non chirale.

H His Istidina basico 155,16 7,60 1,80 9,33 6,04

I Ile Isoleucina idrofobo 131,17 6,05 2,32 9,76 Sia il carbonio che quello sono stereogenici

K Lys Lisina basico 146,19 9,60 2,16 9,06 10,54

L Leu Leucina idrofobo 131,17 6,01 2,33 9,74

M Met Metionina idrofobo 149,21 5,74 2,13 9,28 sempre il primo amminoacido con cui inizia una sintesiproteica; a volte viene rimosso dopo che la proteina stataassemblata.

N Asn Asparagina idrofilo 132,12 5,41 2,14 8,72

P Pro Prolina idrofobo 115,13 6,30 1,95 10,64 Non potendo il legame C-N ruotare, questo amminoacidointerferisce con il ripiegarsi delle strutture di tipo elica ofoglietto .

Q Gln Glutammina idrofilo 146,15 5,65 2,17 9,13

R Arg Arginina basico 174,20 10,76 1,82 8,99 12,48

S Ser Serina idrofilo 105,09 5,68 2,19 9,21

T Thr Treonina idrofilo 119,12 5,60 2,09 9,10 Sia il carbonio che quello sono stereogenici

V Val Valina idrofobo 117,15 6,00 2,39 9,74

W Trp Triptofano idrofoboaromatico

204,23 5,89 2,46 9,41

Y Tyr Tirosina idrofoboaromatico

181,19 5,64 2,20 9,21 10,46

Amminoacido 7

Reazione di protonazione/deprotonazione

Dal valore del pKa degli ammino e carbossilo gruppi e alcuni gruppi R si possono ricavare informazioni sulla caricaparziale nei differenti valori di pH; in una soluzione neutra: Il gruppo carbossilico preferibilmente carico negativo. Il gruppo amminico preferibilmente carico positivo. Il gruppo R dell'aspartato e glutammato preferibilmente carico negativamente. Il gruppo R della lisina e arginina a pH 7 preferibilmente positivamente caricato. Il gruppo R della tirosina per lo pi neutro. Il gruppo R dell'istidina ha il 10% di probabilit di essere carico positivo a pH 7, ma la probabilit aumenta fino al

50% in soluzioni a pH 6. Per questo l'istidina molto sensibile alle variazioni di pH nell'intervallo fisiologico.

Amminoacido 8

Sintesi degli amminoacidiGli amminoacidi posso essere sintetizzati attraverso 3 vie:1. amminazione degli acidi -amminocarbossilici;2. sintesi di Gabriel modificata;3. sintesi di Strecker.

Note[1] http:/ / www. med. unibs. it/ chimica/ P5-aminoacidi. pdf[2] Frst P, Stehle P (giugno 2004). What are the essential elements needed for the determination of amino acid requirements in humans? (http:/

/ jn. nutrition. org/ cgi/ pmidlookup?view=long& pmid=15173430). The Journal of Nutrition 134 (6 Suppl): 1558S1565S. PMID 15173430.[3] Reeds PJ (luglio 2000). Dispensable and indispensable amino acids for humans (http:/ / jn. nutrition. org/ cgi/ pmidlookup?view=long&

pmid=10867060). The Journal of Nutrition 130 (7): 1835S40S. PMID 10867060.[4] Driscoll DM, Copeland PR (2003). Mechanism and regulation of selenoprotein synthesis. Annual Review of Nutrition 23 (1): 1740. DOI:

10.1146/annurev.nutr.23.011702.073318 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1146/ annurev. nutr. 23. 011702. 073318). PMID 12524431.[5] Krzycki JA (dicembre 2005). The direct genetic encoding of pyrrolysine. Current Opinion in Microbiology 8 (6): 70612. DOI:

10.1016/j.mib.2005.10.009 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1016/ j. mib. 2005. 10. 009). PMID 16256420.[6] Kostrzewa RM, Nowak P, Kostrzewa JP, Kostrzewa RA, Brus R (marzo 2005). Peculiarities of L: -DOPA treatment of Parkinson's disease.

Amino Acids 28 (2): 15764. DOI: 10.1007/s00726-005-0162-4 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1007/ s00726-005-0162-4). PMID 15750845.

Voci correlate Amminoacidi essenziali Amminoacidi glucogenetici Amminoacidi chetogenici Amminoacidi insulinogenici Gruppo funzionale Proteina Peptidi Proteosintesi Proteolisi

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Proteina 9

ProteinaLe proteine, o protidi, sono tra i composti organici pi complessi e sono i costituenti fondamentali di tutte le celluleanimali e vegetali. Dal punto di vista chimico, una proteina un polimero (e anche una macromolecola) di residuiamminoacidici, uniti mediante un legame peptidico, spesso in associazione con altre molecole e/o ioni metallici (inquesto caso si parla di proteina coniugata).

DescrizioneLe proteine hanno una struttura tridimensionale molto complessa a cui associata sempre una funzione biologica. Daquesta considerazione deriva uno dei dogmi fondamentali della biologia: "Struttura Funzione", nel senso chead ogni diversa organizzazione strutturale posseduta da una proteina (detta proteina nativa) associata una specificafunzione biologica.Da questo punto di vista le proteine possono essere classificate in due grandi famiglie: le proteine globulari e leproteine a struttura estesa o fibrosa. Queste due organizzazioni riflettono le due grosse separazioni funzionali che lecontraddistinguono: Le proteine estese o fibrose svolgono funzioni generalmente biomeccaniche, esse rientrano nella costituzione

delle unghie, dei peli, dello strato corneo dell'epidermide, opponendo una valida difesa contro il mondo esterno. Al contrario, le proteine globulari sono coinvolte in specifiche e molteplici funzioni biologiche, spesso di

notevole importanza per l'economia cellulare, sono proteine gli enzimi, i pigmenti respiratori, molti ormoni, letossine, e gli anticorpi, responsabili della difesa immunitaria. Cibi particolarmente ricchi di proteine sono: carne ,pesce, uova, latte e derivati.

Altri cibi meno ricchi di proteine sono: cereali, lievito di birra e cereali (quest'ultimo ha poco valore biologico. Ilvalore biologico indica la quantit di proteine umane estraibili da 100g di proteine alimentari. Pu essere: -Ad altovalore biologico: ci sono tutti gli aminoacidi essenziali (8) nella giusta quantit e ben disposti come quelli nellacarne, pesce, uova, latte e derivati. -A medio valore biologico: contengono tutti gli aminoacidi essenziali (8) inmaniera squilibrata ad esempio nei legumi -A basso valore biologico: manca uno o pi aminoacidi essenziali

I protidiI protidi sono uno dei componenti fondamentali delle cellule. La loro composizione in amminoacidi variabile esotto il controllo genetico per cui il loro peso molecolare pu essere molto variabile e dipende dal numero e dal tipodi amminoacidi (monomeri) di cui costituita la molecola (eteropolimero in cui il peso molecolare medio di unamminoacido circa 115). Se la molecola costituita da poche unit di amminoacidi (in genere non pi di 15 20)viene definita un oligopeptide. In genere, un oligopeptide non ha una ben definita conformazione in soluzione ma,essendo piuttosto flessibile, la cambia continuamente. Un polimero pi lungo si dice polipeptide. Uno o pipolipeptidi costituiscono una proteina. bene chiarire subito che una proteina nella sua organizzazione nativa, equindi funzionalmente attiva, pu esistere solo in soluzioni saline diluite (molto simili, per composizione, a quelleesistenti nei sistemi acquosi cellulari). La sua struttura dipende esclusivamente dalle caratteristiche chimico-fisichedella soluzione acquosa in cui si trova (pH, presenza di ioni salini, temperatura, pressione, presenza di compostiorganici come urea, alcoli, ecc.). Il variare di questi parametri pu determinare delle modifiche strutturali chepossono alterare le propriet funzionali, fino ad annullarle (proteina denaturata).Proteine che contengono lo stesso tipo e numero di amminoacidi possono differire dall'ordine in cui questi sono situati nella struttura della molecola. Tale aspetto molto importante perch una minima variazione nella sequenza degli amminoacidi di una proteina (cio nell'ordine con cui i vari tipi di amminoacidi si susseguono) pu portare a variazioni nella struttura tridimensionale della macromolecola che possono rendere la proteina non funzionale. Un esempio ben noto il caso della catena beta dell'emoglobina umana che nella sua normale sequenza porta un tratto

Proteina 10

formato da: valina - istidina - leucina - treonina - prolina - acido glutammico - lisina.

Composizione elementareLa molecola proteica risulta costituita da atomi di carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto; spesso contiene anche zolfo(presente negli amminoacidi metionina, cisteina e cistina) e, talvolta, fosforo e/o metalli come ferro, rame, zinco edaltri.Le proteine sono dei polipeptidi con pi di 90-100 amminoacidi.

Gli amminoacidiLo scheletro delle proteine costituito da una sequenza di 20 tipi di amminoacidi diversi, cui si aggiungono alcunetipologie speciali di amminoacidi modificati (come l'idrossilisina nel collagene). In una singola proteina nonnecessariamente sono presenti tutte le tipologie di amminoacidi che invece si trovano in quantit differenti.La struttura generica degli amminoacidi ordinari la seguente:

R

|

H2N-C-COOH

|

H

R rappresenta un gruppo specifico di ogni amminoacido, ed detto catena laterale o gruppo laterale, per distinguerlodal resto dell'amminoacido che costituisce l'ossatura polipeptidica della proteina, tale gruppo a conferire a ciascunamminoacido le sue peculiarit chimiche. In funzione delle propriet chimiche di tale gruppo, un amminoacido vieneclassificato come acido, basico, idrofilo (o polare) e idrofobo (o apolare). Gli aminoacidi sono anche formati di duegruppi distinti chiamati gruppo amminico e gruppo carbossilico(-NH2 H

2N-CH-CO-NH-CH-COOH + H

2O

| | | |

R R' R R'

Il legame che unisce due amminoacidi, evidenziato in rosso, prende il nome di legame peptidico. Una catena di piamminoacidi legati attraverso legami peptidici prende il nome generico di polipeptide, uno o pi polipeptidi, a volteaccompagnati da altre molecole ausiliarie, costituiscono una proteina.L'ingombro dei vari gruppi R che sporgono dalla catena polipetidica, l'affinit reciproca tra gruppi polari e tra gruppiapolari, l'attrazione tra gruppi basici e gruppi acidi sono alcune delle forze che concorrono a modellare laconformazione della proteina nello spazio, conformazione dalla quale dipende in modo essenziale l'attivit biologicadella proteina stessa.Gli amminoacidi presenti negli organismi viventi sono numerosissimi ma solo venti di essi (tutti della seriestereochimica L) sono sottoposti al controllo genetico, come conseguenza dei processi evolutivi e contenuti nelleproteine:1. acido aspartico (monoamminodicarbossilico)2. acido glutammico (monoamminodicarbossilico)3. alanina (monoamminomonocarbossilico)4. arginina (diamminomonocarbossilico)

Proteina 11

5.5. asparagina6. cisteina (monoamminomonocarbossilico)7. fenilalanina (monoamminomonocarbossilico)8. glicina (o glicocolla)9.9. glutammina10.10. isoleucina11.11. istidina12.12. leucina13. lisina (diamminomonocarbossilico)14.14. metionina15. prolina (iminoacido)16. serina (monoamminomonocarbossilico)17.17. tirosina18.18. treonina19. triptofano (monoamminomonocarbossilico)20.20. valinaTra gli amminoacidi non proteici annoveriamo il GABA (acido gamma-amminobutirrico, un mediatore chimico delsistema nervoso), la DOPA (3,4-diidrossi-l-fenilalanina, precursore dell'adrenalina), ed altri che hanno specifiche espesso importanti propriet biologiche. Gli amminoacidi essenziali per il nostro organismo sono 9 (istidina,isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilanina, treonina, triptofano e valina). Alcuni di essi sono"condizionatamente essenziali", ovvero diventano indispensabili solo sotto specifiche condizioni fisiologiche opatologiche (ad esempio: cisteina, tirosina, taurina, glicina, arginina, glutammina, prolina). Inoltre necessario unapporto sufficiente di azoto presente negli amminoacidi, che pu essere soddisfatto dagli amminoacidi sopracitati,dagli aminoacidi non essenziali o da altre fonti.La composizione di una proteina dipende dal numero e dal tipo di amminoacidi di cui formata. Considerando ancheche un amminoacido pu comparire pi volte nella stessa catena polipeptidica, il numero delle combinazionipossibili enorme: una sequenza di 300 aminoacidi in teoria pu codificare 20300 proteine diverse. Tuttavia, lamaggior parte di queste proteine non possono esistere in natura perch lo impediscono le coppie di angoli dirotazione di ciascun loro amminoacido, oppure perch sarebbero particolarmente instabili, cos meno di una ognimiliardo potrebbe esistere. Solo le proteine stabili infatti persistono e sono selezionate dall'evoluzione, infatti unacellula non potrebbe sopravvivere possedendo proteine dall'emivita troppo breve, dalla funzione troppo variabile, oimpossibili da regolare. Il cambiamento anche di un singolo amminoacido all'interno di una proteina pu esseresilente e non alternarne significativamente la funzione, ma pu anche alterarne la struttura e dunque la funzione, ci provato dalle numerose patologie di cui responsabile la mutazione di un singolo amminoacido in una proteina. Sicomprende comunque quanto grande possa essere il numero delle diverse possibili proteine che sono state generatedai processi evolutivi che hanno coinvolto (e coinvolgono) tutte le specie viventi esistenti in natura. Nell'uomo pareche si codifichino almeno 24.000 proteine diverse.

Struttura

RipiegamentoUna proteina, essendo una macromolecola formata da decine di migliaia di atomi, potrebbe potenzialmente assumere un numero incredibilmente grande di possibili ripiegamenti. Tuttavia considerazioni fisiche limitano di molto i possibili ripiegamenti e dunque la conformazione finale di una proteina. Intanto gli atomi non si possono mai sovrapporre e si comportano a grandi linee come delle sfere con un raggio defiinito detto raggio di van der Waals, ci limita non poco il numero di angoli in una catena polipeptidica. Ciascun amminoacido contribuisce alla

Proteina 12

formazione della catena polipeptidica con tre legami. Uno il legame peptidico (C-N) tra il carbonio di un gruppochetonico di uno degli amminoacidi e l'azoto del gruppo amminico dell'adiacente, uno viene chiamatoconvenzionalmente legame C-C ed presente tra il carbone centrale cui attaccato il gruppo laterale R e il carbonedel gruppo carbossilico, ed infine un legame C-N tra il carbone centrale e l'azoto del gruppo amminico dello stessoamminoacido. Il legame peptidico planare ed impedisce una rotazione, mentre la rotazione permessa sugli altridue legami; l'angolo di rotazione del legame C-C detto , quello del legame C-N detto . Dunque laconformazione degli atomi della catena principale di una proteina determinata dalla coppia di quegli angoli dirotazione per ciascun amminoacido. Dal momento che non sono possibili collisione steriche tra gli amminoacidi gliangoli possibili sono limitati. Ramachandran in funzione delle possibili coppie di angoli di rotazioni compil ungrafico che oggi prende il suo nome dove ben visibile come la maggior parte delle proteine assumano solo duegrandi tipologie di conformazione: l'-elica o il -foglietto. Tra gli atomi di una proteina si stabiliscono interazionidette legami, che possono essere covalenti o non covalenti. I legami non covalenti, presi singolarmente, sono semprepi deboli dei covalenti nell'ordine di decine o centinaia di volte, tuttavia il loro numero all'interno di una proteina lirende fondamentali per comprenderne il ripiegamento. I legami non covalenti che si riscontrano nelle proteine sono ilegami idrogeno, le attrazioni elettrostatiche e le attrazioni di van der Waals. Il legame idrogeno si effettua peresempio tra un ossigeno e un idrogeno affacciati, le attrazioni elettrostatiche tra gruppi laterali con carica opposta ele attrazioni di van der Waals tra dipoli molecolari istantanei indotti (forza di London), tra dipoli permanenti (forzadi Keesom) o tra un dipolo permanente ed uno corrispondente indotto (forza di Debye). Ad esse si deve aggiungerela tendenza dei gruppi di amminoacidi idrofobici (fenilalanina, leucina, isoleucina, triptofano, valina, cisteina,metionina, prolina, alanina e glicina) ad avvicinarsi e unirsi tra loro, formando delle tasche idrofobiche lontane dallarete di legami idrogeno che deve essere immaginata sempre presente all'interno di un ambiente acquoso tra lemolecole d'acqua. Generalmente questi gruppi di amminoacidi sono quasi sempre posti all'interno della proteina, dalmomento che questa si interfaccia quasi sempre ad un ambiente acquoso, per cui i suoi amminoacidi idrofilici, polarie con carica saranno tendenzialmente all'esterno. La struttura tridimensionale di una proteina determinata dalla soladisposizione sequenziale dei suoi amminoacidi e la conformazione che assume tendenzialmente quella con energialibera pi bassa. stato possibile scoprire questa peculiarit delle proteine effettuando esperimenti di denaturazione(tramite solventi come l'urea) e rinaturazione di proteine in vitro. Si notato che alcune proteine, una voltadenaturate e rimosso il solvente si ripiegavano autonomamente. Tuttavia, non tutte le proteine una volta denaturatepossono ripiegarsi spontaneamente nella loro conformazione originaria. La conformazione di una proteina, benchsia normalmente la pi stabile possibile per la sequenza dei suoi amminoacidi, non immutabile, e subisce piccolemodificazioni dopo interazione con ligandi o altri proteine. Questa possibilit sta alla base della funzionalit dellamaggior parte delle proteine. La conformazione di una proteina pu essere notevolmente aiutata ed affinata daglichaperoni, delle proteine che si legano alle catene parzialmente ripiegate e le assistono sino a formare la correttaconformazione. Spesso agiscono isolando tra loro le tasche idrofobiche di una proteina, che in caso contrariotenderebbero ad associarsi prematuramente. Una porzione di proteina che si ripiega indipendentemente dal restodella catena polipeptidica detta dominio proteico ed una proteina pu averne uno come numerosi. Si suppone cheesistano in natura circa 2.000 domini proteici dalla struttura differente, circa 800 sono stati identificati, tuttavia lastragrande maggioranza dei domini proteici assume poche decine di conformazioni diverse.

l'-elica e il -foglio pieghettato

L'-elica e il -foglietto sono le conformazioni pi comuni riscontrabili nelle catene polipeptidiche di una proteina.Una singola proteina pu essere formata sia da -eliche e -foglietti in numero variabile. L'-elica la conformazione pi comune riscontrabile nelle proteine, particolarmente presente nei recettori

cellulari dov' immersa nella membrana plasmatica della cellula, spesso con pi -eliche per una singola proteina (unite da catene polipeptidiche ad U). In questo caso i gruppi idrofobici sono a contatto con la membrana plasmatica e i gruppi idrofilici sono all'interno, oppure si affacciano al citoplasma e allo spazio extracellulare. L'elica una delle conformazioni pi favorevoli perch naturalmente riduce al minimo l'energia libera, pu essere

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sinistrorsa o destrorsa. Fu scoperta per la prima volta nell'-cheratina negli anni Sessanta. L'-elica si formaquando una catena polipeptidica si ripiega su se stessa con formazione di legami idrogeno tra un legame peptidicoe il quarto successivo, in particolare tra il gruppo chetonico C=O dell'uno e il gruppo N-H dell'altro, e il legame tra O e H. Tutti i gruppi amminici di un'elica sono rivolti verso l'N-terminale della proteina, tutti quelli chetoniciverso il C-terminale, cos l'elica assume parziale carica positiva all'N-terminale e parziale carica negativa alC-terminale. L'elica che si forma ha un giro completo ogni 3,6 amminoacidi e la distanza media tra questi 0,54nm. In alcune proteine due o tre -eliche si avvolgono l'una intorno all'altra formando il coiled coil. Generalmentequesta conformazione assunta quando ciascuna elica ha la maggior parte delle catene laterali di amminoacidiidrofobici da un lato, in questo modo, sfruttando le attrazioni idrofobiche, le eliche possono avvolgersi unaintorno all'altra. L'-cheratina un esempio di proteina che assume questa particolare conformazione, preferitadalle proteine con funzione strutturale.

Il -foglio pieghettato e la seconda conformazione pi comune nelle proteine, molto presente in alcuni enzimi enelle proteine coinvolte nella difesa immunitaria. Fu scoperto negli anni Sessanta studiando la fibroina, laproteina principale costituente della seta. Il -fogliopeighettato consiste in numerose catene polipeptidiche che sidispongono l'una adiacente all'altra, collegate in una struttura continua da brevi sequenze a U. Tali catene possonopuntare tutte nella stessa direzione (catene parallele) o in direzioni alternate (catene antiparallele). Ancora unavolta le catene polipeptidiche adiacenti sono unite in una struttura rigida da legami idrogeno che connettono ilegami peptidici di una catena con quella adiacente.

Livelli di organizzazioneUna proteina nel suo complesso una molecola in cui vengono convenzionalmente distinti vari livelli diorganizzazione, che possono essere tre o quattro a seconda della proteina. La struttura primaria formata dalla sequenza specifica degli amminoacidi, dalla catena peptidica e dal numero

stesso delle catene, determina da sola il ripiegamento della proteina. La struttura secondaria consiste nella conformazione spaziale delle catene; ad esempio la conformazione a

spirale (o ad alfa elica), mantenuta e consentita dai legami a idrogeno, quella planare (o a foglietto beta), il coiledcoil (collagene) o quelle globulari appartenenti al gruppo KEMF (cheratina, epidermina, miosina, fibrinogeno).All'interno di una singola proteina vi pu essere una combinazione di sequenze di eliche, foglietto e sequenzenon ripetitive, e sono ad un livello di complessit compreso tra la struttura secondaria e quella terziaria.

Il dominio un'unit globulare o fibrosa formata da catene polipeptidiche ripiegate in pi regioni compatte,costituiscono divisioni della struttura terziaria, ha la caratteristica di ripiegarsi pi o meno indipendentementerispetto al resto della proteina. Un dominio generalmente compreso tra i 30 e i 350 amminoacidi. Molte delleproteine pi complesse sono aggregazioni modulari di numerosi domini proteici. Tra i pi comuni si citino SH2 oSH3; la proteina Src possiede un dominio SH2, un dominio SH3 e un dominio catalitico chinasico C-terminale.

La struttura terziaria (dal punto di vista della termodinamica la forma con la pi bassa energia libera) rappresentata dalla configurazione tridimensionale completa che la catena polipeptidica assume nell'ambiente incui si trova.Viene consentita e mantenuta da diversi fattori, come i ponti disolfuro, e le forze di Van der Waals. Fondamentalisua formazione sono le chaperonine, proteine chiamate anche "dello stress" o "dello shock termico" (Hsp, "heatshock proteins), per il loro ruolo nella rinaturazione delle proteine denaturate.Gran parte delle strutture terziarie pu essere classificato come globulare o fibrosa.

La struttura quaternaria quella che deriva dall'associazione di due o pi unit polipeptidiche, unite tra loro dalegami deboli (e a volte ponti disolfuro) in un modo molto specifico, come ad esempio avviene nella costituzionedell'emoglobina, costituita da quattro subunit, due globuline e due globuline .

La struttura quinaria , che fu suggerita da Edwin H. McConkey, ricercatore all'Universit del Colorado. Egli elabor un'interessante teoria che fu ingiustamente trascurata, effettuando esperimenti di gel-elettroforesi per

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confrontare le varie popolazioni proteiche in organismi che si trovavano in differenti stadi evolutivi. I risultatiportarono lo studioso a definire la struttura quinaria, riferendosi a tutto ci che, in seno ad un polipeptide, si purapportare a tutte le interazioni transitorie stabilite da alcune proteine (in vivo) per la salvaguardia dal processoevolutivo. In particolare, tale struttura si pu considerare come la tendenza all'invarianza, e non a particolaricambiamenti morfologici nella struttura di un polipeptide.

Le proteine che contengono anche una parte non polipeptidica, gruppo prostetico, sono dette proteine coniugate. Dueproteine si dicono isoforme se, a parit di struttura primaria, differiscono in uno degli altri livelli di struttura.Denaturare una proteina significa distruggerne la conformazione spaziale, rompendo i legami idrogeno e pontidisolfuro per mezzo di acidi, basi, calore, radiazioni o agitazione (un esempio comune di denaturazione la cotturadi un uovo nel quale l'albumina, che costituisce la maggior parte dell'albume, viene denaturata). Una proteinadenaturata, pur mantenendo intatta la sua struttura primaria, non pi in grado di esplicare la sua funzione, a menoche non si riesca a ristabilirne la struttura terziaria.

Proteine complesseLe proteine, per quanto complesse anche prese singolarmente, negli organismi viventi possono aggregarsi ad altre proteine identiche oppure a proteine apparentemente molto differenti creando dei complessi proteici. Ci che permette questo legame sono i legami non covalenti che permettono alla stessa proteina di assumere una determinata conformazione. In una proteina sono spesso presenti una o pi zone caratteristiche capaci di interazioni non covalenti con altre proteine, qualsiasi zona siffatta detta sito di legame. Quando una proteina tramite un sito di legame si lega ad un'altra proteina formando un complesso proteico ciascuna di esse prende il nome di subunit proteica; se le subunit che formano la proteina sono due si dir che un dimero, se tre un trimero, se quattro un tetramero e cos via. Vi sono complessi proteici che contengono decine di subunit. Il legame pu essere per esempio "testa-testa" (in tal caso sono favoriti i dimeri) o "testa-coda" (dove spesso le proteine sono globulari o ad anello). Un esempio di proteina provvista di pi subunit l'emoglobina, una proteina globulare formata da quattro subunit, due -globuline ad uno dei due poli e due -globuline all'altro (le subunit non sono perci alternate), con un gruppo prostetico (l'eme) legato a ciascuna subunit. Altri complessi proteici sono formati da molte pi subunit che permettono di realizzare dei filamenti dal momento che ad un polo possiedono un sito di legame e all'altro polo una struttura proteica complementare a quello stesso sito. Si creano cos catene filamenti proteici come l'actina-F, formata da centinaia di subunit globulari di actina-G che le conferiscono al microscopio elettronico un aspetto simile a quello di una collana elicoidale di perle. La ridondanza della struttura elicoidale e non retta sempre dovuta all'affinit per una conformazione con la minore energia libera. Una variante all'elica il coiled coil, che coinvolge due o tre catene polipeptidiche, come nella cheratina o nel collagene. Si pu dire che a grandi linee le proteine globulari tendono ad avere funzione enzimatica, mentre quelle che formano filamenti hanno funzione strutturale (formano ad esempio le miofibrille nelle fibre muscolari o le fibre della matrice extracellulare, o ancora il citoscheletro di una cellula). Vi sono proteine la cui funzione resa possibile proprio per la loro struttura poco caratterizzabile e casuale, ne un esempio l'elastina, che forma le fibre elastiche della parete delle arterie e di molti altri tessuti del corpo umano. Nell'elastina numerose catene polipeptidiche sono legate covalentemente tra loro senza una disposizione regolare e tale struttura disordinata determina la sua deformabilit. Proteine poco strutturate hanno svariate funzioni nella cellula, alcune ad esempio hanno funzione strutturale come l'elastina, altre per sono dei canali come le nucleoporine poste sulla membrana nucleare di ciascuna cellule, altre ancora fungono da proteine impalcatura, cio proteine che raggruppano in stretta vicinanza altre proteine dalla funzione correlata, fondamentali nella segnalazione e nella comunicazione cellulare. Una caratteristica comune a tutte le proteine poco strutturate una grande ridondanza di aminoacidi e la bassa presenza di amminoacidi idrofobici. Certe proteine molto esposte alla degradazione nell'ambiente extracellulare sono stabilizzate da legami disolfuro (S-S) che si formano tra due proteine; questo legame agisce come una vera e propria graffetta sulla proteina, permettendole in ambienti ostili di mantenere la sua conformazione. All'interno del citoplasma difficile riscontrare legami disolfuro a causa dell'ambiente riducente, per cui le cisteine mostrano gruppi (-SH). L'evoluzione ha fatto inoltre in modo che vi fosse

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la possibilit di creare complessi proteici ancora pi grandi di filamenti, coiled coil, o proteine globulari. Il vantaggiodi tali strutture che siccome sono spesso costituite dalla ripetizione di subunit identiche o simili, occorre pocomateriale genetico per sintetizzare grandi complessi proteici, per esempio i capsidi dei virus, inoltre l'associazione trale subunit necessita generalmente di un'energia molto bassa, oppure, in certi casi, sono subunit autoassemblanti(per esempio il ribosoma batterico). Il capside di molti virus formato o da un tubo cavo (come nel virus delmosaico del tabacco) oppure rassomiglia ad un icosaedro o ad una sfera cava, come per esempio il poliovirus.Generalmente tali strutture si rivelano sia molto stabili date le numerose interazioni tra le subunit, sia adattabili, dalmomento che per infettare una cellula devono permettere la fuoriuscita dell'acido nucleico, sia RNA o DNA.

Chiralit delle proteineTutti gli amminoacidi, ad eccezione della glicina presentano un carbonio legato a quattro sostituenti diversi che uncentro chirale. Tutti gli amminoacidi possono dunque esistere in due conformazioni: L o D, sintetizzandoliartificialmente si ottiene una miscela racema.Tuttavia tutti gli amminoacidi dei composti biologici si trovano in natura soltanto conformazione L. Amminoacidi inconformazione D si rinvengono in alcune specie batteriche e vengono pure adoperati per la sintesi di farmac. Lagramicidina S, un peptide naturale con funzione antibatterica, nella sua struttura primaria contiene anche alcuniamminoacidi appartenenti alla conformazione D

Funzioni

LegameLe proteine svolgono funzioni strutturale, immunitaria, trasporto (di ossigeno, metalli, lipidi, di membrana), diidentificazione dell'identit genetica, ormonale, enzimatica, contrattile, energetica. Quasi tutte le proteine conosciuteinteragiscono con altre proteine o con altri tipi di molecole, comunque detti ligandi, tramite i loro siti di legame, cista alla base di gran parte delle interazioni presenti in una cellula. Una proteina di norma possiede un sito di legameche le permette di legarsi con uno o pochi ligandi, per cui la maggior parte delle proteine ha alta specificit. L'entitdel legame pu essere differente, vi sono proteine che si legano ai propri ligandi in modo molto tenace, altre inveceche si legano debolmente e la tipologia di legame influenza la funzione della stessa proteina. Ad esempio, glianticorpi legano strettamente i propri ligandi (detti antigeni), mentre certi enzimi per questioni di cinetica e pervelocizzare le reazioni non legano cos strettamente il proprio substrato. La capacit di legame dipende sempre dallacapacit della proteine di stabilire legami non covalenti (legame idrogeno, attrazioni elettrostatiche, attrazioniidrofobiche e forze di van der Waals) con il ligando. Pi legami si formano, pi il legame con il ligando sarcomplessivamente intenso. Il sito di legame di una proteina possiede una forma che generalmente quasi speculare aquella del ligando che vi deve aderire, ci ne determina la specificit. Le caratteristiche di ciascun sito di legamesono date dalle catene laterali degli amminoacidi che si affacciano in esso; gli amminoacidi che vi prendono partesono spesso distanti lungo la catena polipeptidica della proteina. Mutazioni nel sito di legame generalmentedeterminano malfunzionamento o cessazione dell'attivit catalitica o di legame originaria. Non sorprendentepensare che i siti di legame siano alcuni degli amminoacidi pi conservati all'interno di una proteina. I siti di legamesono isolati dall'ambiente acquoso in cui sono immersi dal momento che alcune catene laterali poste in prossimit delsito di legame tendono a respingere le molecole d'acqua; inoltre sfavorevole per una molecola d'acqua dissociarsidalla rete di legami idrogeno con cui interconnessa alle altre molecole d'acqua per reagire con una catena laterale diun amminoacido del sito di legame. Il ligando pu essere attratto mediante alcuni espedienti, come ilraggruppamento in siti specifici di amminoacidi provvisti di carica, che sono quindi in grado di attrarre pifacilmente ligandi di carica opposta e nel contempo di respingere quelli con la stessa carica. Le possibili interfaccetra una proteina e il suo ligando sono molti, tra le pi comuni le interazioni superficie (sito di legame)-stringa(ligando), oppure elica-elica (comune nelle proteine regolatrici di geni), o ancora, pi comunemente delle altre due,

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superficie-superficie (quanto avviene in moltissimi enzimi). La forza di legame di una proteina verso il suo ligandoall'equilibrio, cio nello stato in cui le associazioni e le dissociazioni tra la proteina e il ligando sono in egualnumero, misurata tramite la costante di equilibrio.La velocit di dissociazione calcolata tramite la formula: velocit associazione = koff[AB] dove [AB] laconcentrazione del complesso proteico in moli e koff la costante di dissociazione.La velocit di associata calcolata tramite la formula: velocit dissociazione = kon[A] [B], dove [A] e [B] sono ledue molecole e kon la costante di associazione.Eguagliando le due velocit si ricava la costante di equilibrio (detta anche di affinit) Ka = [AB] \ [A][B]Maggiore la costante di equilibrio, maggiore sar la forza di legame, inoltre essa una misura diretta delladifferenza di energia libera tra lo stato legato e dissociato della proteina.

EnzimiGli enzimi formano buona parte delle proteine conosciute e sono spesso proteine globulari. Quasi tutti i nomi deglienzimi terminano in "-asi" per convenzione. Essi non solo si legano ad un ligando, ma catalizzano una reazione, cione abbassano l'energia necessaria, accelerandola notevolmente e formando nuovi prodotti senza modificarsi. Perquesto motivo possono catalizzare numerose reazioni e a velocit incredibili, tanto che i pi potenti catalizzatori notisono enzimi. Il ligando di un enzima prende il nome di substrato ed generalmente molto pi piccolo dell'enzimastesso. Il ruolo degli enzimi fa s che queste proteine siano alla base della vita e del metabolismo di ogni organismo,qualora si associano in vie enzimatiche ordinate. Alcuni enzimi sono utilizzati per fini industriali. La sintesi chimicadi numerosi farmaci, ad esempio, portata a termine attraverso l'utilizzo di enzimi. Anche diversi prodotti di usodomestico fanno ampio uso di enzimi: diversi detersivi contengono enzimi per velocizzare la degradazione delleproteine e dei lipidi che compongono le macchie. La papaina, enzima estratto dalla papaia, invece utilizzata innumerosi prodotti per le sue caratteristiche proteolitiche: dall'intenerimento della carne, processo noto gi agliindigeni americani, all'utilizzo in applicazioni topiche sulle ferite e sulle cicatrici.Gli enzimi sono classificati in: Idrolasi, gli enzimi che tagliano un substrato mediante idrolisi, ne fanno parte le proteasi (che tagliano altre

proteine) e le nucleasi (che tagliano acidi nucleici, cio DNA e RNA). Sintasi, enzimi che sintetizzano una nuova molecola a partire da due substrati, generalmente per condensazione. Isomerasi, enzimi che trasformano un ligando in un suo isomero modificandolo chimicamente a livello dei

legami. Polimerasi, enzimi che associano varie molecole costituendo un polimero, per esempio un acido nucleico. Chinasi, enzimi che aggiungono gruppi fosfato ad alcune molecole. Fosfatasi, enzimi che rimuovono gruppi fosfato da alcune molecole. Ossido-reduttasi, enzimi che ossidano e riducono alcune molecole, ne fanno parte le ossidasi, le reduttasi e le

deidrogenasi. ATPasi, enzimi che idrolizzano ATP liberandone l'energia.

ClassificazioneLa formazione di copie duplicate di geni e l'alterazione della funzione di una proteina nel corso dell'evoluzione hanno portato alla formazione delle circa 500 famiglie proteiche identificate. All'interno di una famiglia sebbene ciascuna proteina svolga una funzione leggermente diversa dall'altra, la sequenza di amminoacidi in particolare presso i siti catalitici e in regioni conservate quasi identica. Non tuttavia una legge che vale per tutte le proteine di una famiglia, esistono infatti alcune proteine dalla sequenza aminoacidica molto diversa e tuttavia dalla conformazione tridimensionale molto simile. Si pu quindi affermare che nel corso dell'evoluzione all'interno di una

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famiglia proteica si conservata pi la conformazione tridimensionale che non la sequenza degli amminoacidi.Generalmente quando almeno un quarto della sequenza amminoacidica di due proteine corrisponde, esse hanno lastessa struttura generale. Due proteine diverse appartenenti ad una stessa famiglia e dalla funzione simile sono detteparaloghe, mentre la stessa proteina in due organismi diversi (per esempio uomo e topo) detta ortologa. Laparentela tra due proteine generalmente accettata quando almeno il 30% degli amminoacidi corrispondono, ma perverificarla possibile ricorrere ai cosiddetti fingerprint, cio brevi sequenze di amminoacidi comuni in quasi tutte leproteine di una data famiglia. Alcune proteine si sono formate per rimescolamento dei domini proteici o per la loroduplicazione all'interno della stessa proteina a causa di unioni accidentali di DNA codificante; certi domini sonoparticolarmente diffusi e sono perci chiamati moduli proteici. Ne sono Questi domini hanno la caratteristica diavere gli N-terminali e C-terminali ai poli opposti della proteina, cos che l'aggregazione ad altri domini e ad altreproteine per formare strutture pi grandi favorita rispetto a quanto accadrebbe se fossero entrambi verso lo stessopolo della proteina; un esempio il modulo 1 della fibronectina. In tal caso i domini che assumono unaconformazione simile ad una spina della corrente sono inseriti nelle anse proteiche di alcune proteine, per esempio ilmodulo kringle nell'urochinasi o il dominio SH2. Alcuni di questi domini non si ritrovano solo tra proteine paraloghema anche ortologhe, per esempio il dominio SH2 mostra una diffusione molto simile sia nel verme che nella mosca,eppure ben poco frequente nei vegetali. Vi sono invece dei domini comuni a solo certe categorie di organismi comel'MHC, il complesso maggiore di istocompatibilit (major histocompatibility complex), presente nell'uomo maassente negli insetti e nei vegetali, tuttavia questi costituiscono soltanto il 7% del totale. Si osservato inoltre che,malgrado alcuni organismi viventi apparentemente semplici come l'alga Arabidopsis posseggano pi geni di unessere umano, tendenzialmente le proteine umane sono formate da un numero maggiore di domini e quindi sono picomplesse rispetto alle ortologhe in altri organismi.La classificazione pu essere dunque fatta in base alla composizione chimica, alla configurazione molecolare o allasolubilit. Si distinguono cos proteine semplici (costituite da soli amminoacidi) e proteine coniugate (costituite dauna proteina semplice e da un gruppo prostetico di natura non proteica).Tra le proteine semplici: proteine fibrose, generalmente insolubili nei solventi acquosi ed a volte inattaccabili dagli enzimi proteolitici

collageno (costituente essenziale del tessuto connettivo) elastina (componente principale delle fibre elastiche e delle pareti vasali) cheratina (componente essenziale dell'epidermide)

proteine globulari o globose, solubili in acqua e cristallizzabili protamine (di struttura semplice, simile ai peptoni) istoni (di struttura semplice, simile ai peptoni)

albumine, assai diffuse nel mondo animale globuline, insolubili in acqua, si trovano nel sangue, nel muscolo, nei tessuti in genere e nei semi prolamine, caratteristiche del mondo vegetale.Tra le proteine coniugate (costituite almeno da apoproteina+gruppo prostetico) Emoglobina: Apoproteina + gruppo Eme + Fe clorofille: Apoproteina + Anello tetrapirrolico + Mg Opsine: Apoproteina + RetinaleUn'ulteriore suddivisione delle proteine quella che le distingue in base alla loro funzione. Le proteine strutturali sono componenti delle strutture permanenti dell'organismo ed hanno principalmente una

funzione meccanica. Due esempi sono il collagene e l'elastina, presenti nella matrice dei tessuti connettivi. Le proteine di trasporto si legano (in genere con legami deboli) a sostanze poco (o comunque non abbastanza)

idrosolubili e ne consentono il trasporto nei liquidi corporei. Comprendono ad esempio le proteine del sangue che trasportano i lipidi e il ferro, nonch l'emoglobina che trasporta l'ossigeno. Molto importanti sono anche le

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proteine di trasporto delle membrane cellulari, che permettono un passaggio selettivo di molecole idrosolubili eioni.

Le immunoglobuline (dette anche anticorpi) sono proteine che si legano a molecole normalmente non presentinell'organismo, concorrendo alla difesa dello stesso.

Gli enzimi sono proteine catalitiche. Essi accelerano enormemente la velocit di specifiche reazioni chimiche,determinando quali, tra le pressoch infinite reazioni che potrebbero avvenire tra le sostanze presenti, avvengonorealmente a velocit apprezzabile. Di fatto, ogni molecola appena un po' complessa presente in un essere vivente prodotta da enzimi.

ProprietLe propriet delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti, gli amminoacidi: sono elettroliti anfoteri,possono essere sottoposte ad elettroforesi, sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall. Ilpunto isoelettrico o PI di una proteina rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo, che sicomporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione. Per ottenere il peso molecolare o PM delleproteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione. Tra le tante, quella che forniscei risultati pi precisi senza dubbio la spettrometria di massa.

SintesiLe proteine sono sintetizzate dagli organismi attraverso il processo della sintesi proteica.A livello industriale e di laboratorio, la sintesi dei polipeptidi pu essere condotta per due vie distinte:1. Sintesi di Merrifield (o in fase solida): i polipeptidi vengono sintetizzati utilizzando un supporto solido

polimerico a cui vengono legati in successione gli amminoacidi, partendo dal primo, che viene solitamenteutilizzato opportunamente modificato affinch si leghi alla resina e resti protetto dall'azione dei reagenti utilizzatidurante la sintesi del polipeptide.

2. Sintesi enzimatica: vengono opportunamente utilizzati enzimi capaci di promuovere la formazione o larimozione di un legame peptidico (chimotripsina, tripsina, elastasi, pepsina, etc.).

Voci correlate

Altre classi di molecole biologiche

Acidi nucleici Glucidi Lipidi Vitamine

Struttura e sintesi delle proteine

Amminoacidi Fabbisogno sostanziale umano Protein Data Bank Proteoma Proteopedia Ribosoma - Reticolo endoplasmatico Sintesi proteica Predizione di struttura proteica

Alcuni esempi di proteine

Albumina Alfafetoproteina Chaperonina Chinesina Diastasi Glicoproteina Gammaglobulina Enzima Insulina Lisozima Miosina Spettrina Transaminasi Tubulina

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Altri progetti

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Collegamenti esterni Esperienze in laboratorio - Le proteine [1]

Purificazione di proteine e dosaggio quantitativo [2]: descrizione delle tecniche di purificazione delle proteine,principio ed esempi di dosaggio quantitativo.

Il cibo e le proteine [3]

Note[1] http:/ / www. itchiavari. org/ chimica/ lab/ proteine. html[2] http:/ / www. chemdav. altervista. org/ page3/ files/ 12ea655b2fcca17f1f229255f98c145f-15. php[3] http:/ / www. my-personaltrainer. it/ nutrizione/ alimenti-proteine. html

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Carboidrati

Glucidi

Struttura dell'amilosio, un componente dell'amido

I glucidi (dal greco glucos, cio dolce),chiamati anche zuccheri o carboidrati(da idrati di carbonio) o saccaridi,sono una delle principali classi dibiomolecole. Hanno numerosefunzioni biologiche tra cui quella diriserva energetica e trasportodell'energia (esempio: amido,glicogeno) e sono anche noti comecomponenti strutturali della cellulosanelle piante e della cartilagine neglianimali. Inoltre i carboidrati e i loroderivati giocano un ruolo fondamentale nel sistema immunitario, nella fertilit e nello sviluppo biologico.

Dal punto di vista chimico, i carboidrati sono aldeidi o chetoni a cui sono stati aggiunti vari gruppi ossidrilici,solitamente uno per ogni atomo di carbonio che non fa parte del gruppo funzionale aldeidico o chetonico. Le singoleunit di carboidrati sono chiamate "monosaccaridi". Tra questi si annoverano il glucosio, il galattosio e il fruttosio.La formula generale di un monosaccaride, detta formula empirica (o minima) (CH2O)n, dove n un numeromaggiore o uguale a tre; ad ogni modo non tutti i carboidrati si adattano a questa precisa definizione stechiometrica(per esempio gli acidi uronici, i deossizuccheri come il fucosio).

I monosaccaridi possono legarsi tra di loro in moltissimi modi per formare i polisaccaridi o gli oligosaccaridi. Molticarboidrati contengono uno o pi unit di monosaccaridi a cui sono stati tolti o aggiunti vari gruppi. Per esempio ildeossiribosio, un componente del DNA, una versione modificata del ribosio (un componente dell'RNA). Altricarboidrati presentano invece gruppi funzionali differenti, come nel caso degli amminozuccheri e delle glicoproteine.

ClassificazioneI carboidrati possono essere classificati come semplici (monosaccaridi e disaccaridi) o complessi (oligosaccaridi epolisaccaridi). Le linee guida per l'alimentazione generalmente consigliano i carboidrati complessi, e alcuni cibiricchi di carboidrati semplici come la frutta (che contiene glucosio e fruttosio) o i prodotti caseari (che contengonolattosio) come sola fonte di carboidrati nella dieta. Ci esclude alcune fonti di zuccheri semplici come i dolci o lebevande zuccherate.L'indice glicemico e il carico glicemico sono concetti sviluppati per analizzare il comportamento del cibo durante ladigestione. Questi classificano i cibi ricchi di carboidrati in base alla velocit del loro effetto sul livello di glucosionel sangue. L'indice insulinico una classificazione simile, pi recente, che classifica il cibo in base al suo effetto suilivelli di insulina nel sangue, causato dai vari macronutrienti, soprattutto dai carboidrati e da alcuni amminoacidipresenti nel cibo. L'indice glicemico una misura di quanto velocemente i carboidrati del cibo vengono assorbiti,mentre il carico glicemico la misura che determina l'impatto di una data quantit di glucidi presenti in un pasto.I carboidrati complessi non assimilabili, come la cellulosa, l'emicellulosa e la pectina, sono un'importantecomponente della fibra alimentare.

Glucidi 21

Classificazione dei monosaccaridi

Enantiomeri del glucosio, con evidenziata la configurazione D,L

I monosaccaridi sono classificati in base a tre differenticaratteristiche: la posizione del loro gruppo carbonile, ilnumero di atomi di carbonio che contengono e la lorochiralit. Se il gruppo carbonilico aldeidico, ilmonosaccaride un aldoso; se il gruppo carbonilico chetonico, il monosaccaride un chetoso. Imonosaccaridi con tre atomi di carbonio sono chiamatitriosi, con quattro sono chiamati tetrosi, con cinquepentosi, con sei esosi e con sette eptosi. Questi duesistemi di classificazione sono spesso combinati. Peresempio, il glucosio un aldoesoso, il ribosio unaldopentoso e il fruttosio un chetoesoso.

Ogni atomo di carbonio che porta un gruppo ossidrile(-OH), ad eccezione del primo e dell'ultimo carbonio, asimmetrico, con stereocentri con due possibiliconfigurazioni (R o S). A causa di questa simmetria,esiste un certo numero di isomeri per ogni formula di monosaccaride. Il D-glucosio, per esempio, ha formula(CH2O)6 e quattro dei suoi sei atomi di carbonio sono stereogeni, rendendo il D-glucosio uno dei 16 possibilistereoisomeri. Nel caso della gliceraldeide, un aldotrioso, c' una coppia di possibili stereoisomeri, che sonoenantiomeri ed epimeri. L'1-3-diidrossiacetone, il chetoso che corrisponde alla gliceraldeide aldosa, una molecolasimmetrica senza stereocentri. La classificazione in D o L fatta in base all'orientamento del carbonio asimmetricopi lontano dal gruppo aldeidico o chetonico: in una proiezione di Fischer standard se il gruppo ossidrile a destradella molecola, lo zucchero ha configurazione D; se a sinistra lo zucchero ha configurazione L. Gli zuccheri diserie D sono pi comuni e pertanto la D spesso viene omessa.

ConfigurazioneIl gruppo aldeidico o chetonico di una catena lineare di un monosaccaride reagir reversibilmente con un gruppoossidrile su un altro atomo di carbonio per formare un semiacetale o un semichetale, formando un anello eterociclicocon un ponte ossigeno tra i due atomi di carbonio. Gli anelli con cinque o sei atomi sono chiamati furanosi e piranosied esistono in equilibrio con la forma a catena aperta. Durante la conversione dalla forma a catena aperta alla formaciclica, l'atomo di carbonio contenente l'ossigeno carbonilico, chiamato carbonio anomerico, diventa un centrochirale con due possibili configurazioni: l'atomo di ossigeno pu prendere posizione sopra o sotto il piano dell'anello.I due possibili stereoisomeri risultanti sono detti anomeri. Nell'anomero , l'-OH che sostituisce il carbonioanomerico sta dal lato opposto (trans) dell'anello (secondo CH2OH). La forma alternativa d l'anomero . Dato chel'anello e la forma a catena aperta si interconvertono velocemente, entrambi gli anomeri esistono all'equilibrio.

Glucidi 22

-D-Glucopiranosio -D-Glucopiranosio

La mutarotazione un fenomeno, legato proprio all'instaurarsi di un equilibrio tra anomeri, che consiste nellavariazione del potere rotatorio dei carboidrati osservato in una loro soluzione.

Ruolo biologicoI monosaccaridi sono la pi grande risorsa per il metabolismo, dato che vengono usati come fonte di energia.Quando non c' immediato bisogno di monosaccaridi spesso sono convertiti in forme pi vantaggiose per lo spazio,spesso in polisaccaridi. In molti animali, compresi gli umani, questa forma di deposito il glicogeno, sito nellecellule del fegato e dei muscoli. Le piante invece utilizzano l'amido come riserva. Altri polisaccaridi come la chitina,che concorre alla formazione dell'esoscheletro degli artropodi, svolgono invece una funzione strutturale.

Oligosaccaridi e polisaccaridiGli oligosaccaridi e i polisaccaridi sono composti da lunghe catene di monosaccaridi (monomeri) legati da legamiglicosidici. La distinzione tra i due basata sul numero di monosaccaridi presenti nella catena. Gli oligosaccariditipicamente contengono da sette a nove monosaccaridi, mentre i polisaccaridi contengono pi di diecimonosaccaridi.[1]

I polisaccaridi rappresentano un'importante classe di polimeri biologici. La loro funzione negli organismi viventi disolito strutturale o di deposito. L'amido (un polimero del glucosio) utilizzato come polisaccaride di deposito nellepiante, e si trova sia nella forma di amilosio sia in quella ramificata dell'amilopectina. Negli animali, il polimero diglucosio strutturalmente simile il pi densamente ramificato glicogeno, qualche volta chiamato "amido animale".Le propriet del glicogeno gli permettono di essere metabolizzato pi rapidamente, il che si adatta alle vite attivedegli animali che si muovono. Le forme di glicogeno pi diffuse sono il glicogeno epatico e glicogeno muscolare. Ilglicogeno epatico si trova nel fegato, la riserva di zucchero e di energia negli animali e dura 24 ore. Il glicogenomuscolare la riserva di zucchero utilizzata direttamente dalle cellule muscolari senza passare per la circolazionesanguigna. Il glicogeno epatico, invece, prima di raggiungere le cellule e, in particolare, il tessuto muscolare deveessere immesso nella circolazione sanguigna.I polisaccaridi si suddividono in omopolisaccaridi ( costituiti da tante unit di uno stesso monosaccaride ripetuto pivolte) e eteropolisaccaridi (costituiti da tante unit monosaccaridiche diverse). La cellulosa e la chitina sono esempidi polisaccaridi strutturali. La cellulosa situata nelle pareti cellulari e in altri organismi, e si ritiene che sia la piabbondante molecola organica sulla Terra. Ha molti utilizzi, come un ruolo significativo nell'industria tessile e dellacarta, ed usata come materia prima per la produzione del rayon (attraverso il processo viscoso), acetato di cellulosa,celluloide, e nitrocellulosa. La struttura della chitina simile, ha delle catene laterali che contengono azoto,aumentandone la forza. Si trova negli esoscheletri degli artropodi e nelle pareti cellulari di alcuni funghi. Ha moltiusi, tra cui il filo di sutura chirurgico.Altri polisaccaridi includono il callosio, la laminarina, lo xilano, il mannano, il fucoidano, e il galactomannano.

Glucidi 23

Riduzione e ossidazione dei glucidi

Acido gluconico, ottenutoper ossidazione del

glucosio

Pur esistendo prevalentemente in forma emiacetalica ciclica, i glucidi sono in equilibriocon la loro forma a catena aperta. Ci rende il gruppo aldeidico soggetto a reazioni diriduzione, solitamente utilizzando l'idrogenazione catalica o il tetraidroborato di sodio.Una applicazione di questa reazione consiste nella sintesi del dolcificante sorbitolo,ottenuto dalla riduzione del D-glucosio:

La funzione aldeidica anche soggetta a ossidazione, per esempio con bromo, formandoi composti noti come acidi aldonici. Utilizzando condizioni ossidative pi drastiche, peresempio impiegando acido nitrico, possibile ossidare anche il gruppo -CH2OHterminale, producendo gli acidi aldarici. Acidi aldonici e aldarici tendono a esistereprincipalmente sotto forma di lattoni. Infine possibile che si verifichi solamente l'ossidazione del gruppo -CH2OHterminale con il gruppo -CHO che resta inalterato, producendo gli acidi uronici. La formazione di questo genere dicomposti avviene prevalentemente per via biochimica per azione di enzimi, dato che con i rettivi chimici risultafavorita l'ossidazione del gruppo aldeidico. Un esempio di acido uronico rappresentato dall'acido glucuronico,ottenuto per ossidazione del D-glucosio e che ricopre un ruolo importante nell'escrezione delle sostanze tossiche pervia urinaria.

In generale, gli zuccheri suscettibili di ossidazione vengono definiti zuccheri riducenti. Sono riducenti tutti queglizuccheri il cui carbonio anomerico non impegnato in un legame stabile, come nel caso dei glicosidi e disaccaridicome il saccarosio. Oltre agli aldosi, anche i chetosi sono zuccheri riducenti, in quanto presentano anche loro unafunzione aldeidica in seguito a un equilibrio con un intermedio enediolico (diolo con un doppio legame,R-C(OH)(CHOH)). I reattivi di Benedict e quello di Fehling sono di comune utilizzo nella pratica di laboratorio perla determinazione delle propriet riducenti degli zuccheri.

Scissione ossidativaMenzione a parte merita l'ossidazione con acido periodico, in quanto quest'ultima provoca anche una scissione dellamolecola glucidica. La reazione, utilizzata per la determinazione della struttura dei carboidrati, implica la rottura dellegame C-C di un 1,2-diolo con formazione di due chetoni:

R2(HO)C-C(OH)R'2 + HIO4 R2C=O + R'2C=O + HIO3 + H2Oo di un composto -idrossi carbonilico con formazione di un acido carbossilico e di un chetone:

RC(O)-C(OH)R'2 + HIO4 RCO2H + R'2C=O + HIO3Quando sono presenti tre atomi di carbonio contigui legati a gruppi OH la reazione consuma due moli di acidoperiodico e il carbonio centrale viene ossidato ad acido formico (HCO2H):

R2(OH)C-C(OH)-C(OH)R'2 + 2 HIO4 R2C=O + HCO2H + R'2C=O + 2 HIO3Il legame evidenziato col trattino quello che subisce la scissione.

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GlicosidiQuando un emiacetale reagisce con una funzione alcolica di un altro composto chimico si ottiene un glicoside. Laparte non zuccherina del composto ottenuto viene chiamata aglicone. I glicosidi, impegnando il carbonio anomericonella formazione di un legame etereo stabile, a differenza degli zuccheri originari non presentano mutarotazione.Sono soggetti a idrolisi per azione di acidi in soluzione acquosa.I glicosidi rappresentano una classe di sostanze molto diffuse in natura e diversi di loro possiedono proprietfarmacologiche.

Sintesi di Kiliani-FischerLa sintesi di Kiliani-Fischer permette l'omologazione dei carboidrati, ovvero consente l'allungamento della catena.Viene realizzata facendo reagire lo zucchero di partenza con un cianuro, tipicamente NaCN, che produce unaaddizione nucleofila al gruppo carbonilico aggiungendo un nuovo gruppo nitrilico (-CN) e generando due epimeri.Il nitrile viene successivamente trasformato in acido carbossilico in seguito a idrolisi, e questo forma un lattone. Aquesto punto si separa il diastereomero che interessa e lo si sottopone a riduzione con amalgama di sodio. In talmodo si ottiene un nuovo zucchero che differisce dallo zucchero di partenza per la presenza di un atomo di carbonioin pi, senza variazione della stereochimica degli altri atomi di carbonio chirali.

NutrimentoI carboidrati sono la pi comune fonte di energia negli organismi viventi, e la loro digestione richiede meno acqua diquella delle proteine o dei grassi. Le proteine e i grassi sono componenti strutturali necessari per i tessuti biologici eper le cellule, e sono anche una fonte di energia per la maggior parte degli organismi.I carboidrati non sono nutrienti essenziali per gli esseri umani: il corpo pu ottenere tutta l'energia necessaria daproteine e grassi. Per una dieta completamente priva di carboidrati pu portare a chetosi. Comunque, il cervello e ineuroni in genere non possono consumare direttamente i grassi e hanno bisogno di glucosio da cui ricavare energia:questo glucosio pu essere ricavato da alcuni degli amminoacidi presenti nelle proteine e anche dal glicerolopresente nei trigliceridi. I carboidrati forniscono 3,75 kcal per grammo, le proteine 4 kcal per grammo, mentre igrassi forniscono 9 kcal per grammo. Nel caso delle proteine, per, quest'informazione fuorviante in quanto soloalcuni degli amminoacidi possono essere utilizzati per ricavare energia. Allo stesso modo, negli esseri umani, soloalcuni carboidrati possono fornire energia, tra questi ci sono molti monosaccaridi e alcuni disaccaridi. Anche altritipi di carboidrati possono essere digeriti, ma solo grazie all'aiuto dei batteri intestinali. I ruminanti e le termitipossono addirittura digerire la cellulosa, che non digeribile dagli altri organismi.Tra i cibi ricchi di carboidrati ricordiamo il pane, la pasta, i legumi, le patate, la crusca, il riso e i cereali. La maggiorparte di questi cibi sono ricchi di amido.La FAO (Food and Agriculture Organization) e l'OMS (Organizzazione Mondiale della Sanit) raccomandano diingerire il 55-75% dell'energia totale dai carboidrati, ma solo il 10% dagli zuccheri semplici.

Glucidi 25

Metabolismo

CatabolismoLe principali vie metaboliche dei monosaccaridi sono:1. La glicolisi: processo attraverso il quale una molecola di glucosio viene trasformata in due molecole di piruvato

con un rilascio di energia sotto forma di 2 molecole di ATP e con la riduzione di due molecole di NAD+ a NADH+ H+.

2. Il ciclo di Krebs: processo continuo atto a disorganicare i due carboni presenti nell'Acetil-CoA (risultatodell'azione della piruvato deidrogenasi sul piruvato) in due molecole di anidride carbonica con un rilascio dienergia sotto forma di 3 NADH + 3 H+, 1 FADH2 e 1 GTP (facilmente convertibile in ATP tramite l'azionedell'enzima nucleoside difosfato chinasi).

3. Via del fosfogluconato: processo parallelo alla glicolisi atto a rifornire l'organismo di ribosio-5-fosfato eNADPH.

Gli oligosaccaridi e i polisaccaridi sono prima scissi in monosaccaridi da enzimi detti glicosidasi per poi esserecatabolizzati singolarmente. In alcuni casi, come per la cellulosa, il legame glicosidico particolarmente difficile dascindere e pertanto sono necessari enzimi specifici (in questo caso la cellulasi) senza i quali impossibilecatabolizzare tali zuccheri.

Note[1] (EN) Definizione IUPAC Gold Book (http:/ / goldbook. iupac. org/ P04752. html)

Bibliografia T. W. Graham Solomons, Chimica organica, 2a ed., Bologna, Zanichelli, 2001, pp. 901-938. ISBN

88-08-09414-6

Voci correlate Zucchero

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Collegamenti esterni Esperienze in laboratorio - I carboidrati (http:/ / www. itchiavari. org/ chimica/ lab/ carboidr. html) Diete senza pane e pasta Pochi carboidrati e la memoria svanisce (http:/ / salute24. ilsole24ore. com/ salute/

alimentazione/ 1312_diete_senza_pane_e_pastapochi_carboidratie_la_memoria_svanisce. php)

Glucosio 26

Glucosio

Glucosio

Nomi alternativi

destrosio (la forma D) D-(+)o(-)-glucopiranosio.

Caratteristiche generali

Formula bruta o molecolare C6H12O6Massa molecolare (u) 180,16

Aspetto solido cristallino bianco

Numero CAS [50-99-7 [1]]

Propriet chimico-fisiche

Solubilit in acqua 910 g/L a 25C

Temperatura di fusione (K) ~419 (~146C)

Propriet termochimiche

fH0 (kJmol1) -1273,3

Indicazioni di sicurezza

Frasi H --

Consigli P --[2]

Il glucosio (o "glucoso") un monosaccaride aldeidico; il composto organico pi diffuso in natura, sia libero siasotto forma di polimeri.

CaratteristicheHa formula CH2OH(CHOH)4CHO, e differisce dal galattosio per la sua configurazione. una molecola chirale, ne esistono quindi due enantiomeri: L'enantiomero destrogiro (D-glucosio o destrosio) il pi diffuso in natura, presente allo stato libero in numerosi

frutti zuccherini; si trova anche nella maggior parte dei liquidi organici, nel fegato, nel sangue e nella milza. L'enantiomero levogiro (L-glucosio). uno dei carboidrati pi importanti ed usato come fonte di energia sia dagli animali che dalle piante. Il glucosio il principale prodotto della fotosintesi ed il combustibile della respirazione.Si scioglie bene in acqua (470 g/L) e poco in etanolo. Una soluzione di 100 g/L in acqua a 20C ha pH circa 7.Il glucosio uno zucchero aldoesoso perch la sua molecola contiene un gruppo -CHO, tipico delle aldeidi (aldo-) eperch composta da sei atomi di carbonio (-esoso). La sua forma pi stabile quella in cui uno dei gruppi ossidrilesi lega al carbonio del gruppo aldeidico (C=O) a formare un anello a 6 atomi, un anello piranosico, la cui struttura riportata in figura. La reazione di formazione dell'anello reversibile; a pH 7 circa lo 0,0026% delle molecole presente in forma aperta.

Glucosio 27

Il glucosio una fonte di energia onnipresente in biologia. Il motivo del perch sia esso e non un altromonosaccaride, ad esempio il fruttosio, ancora oggetto di speculazione. In assenza di forme di vita che losintetizzino, il glucosio pu formarsi chimicamente dalla formaldeide, quindi probabile che fosse presente e bendisponibile quando nacquero i primi sistemi biochimici primitivi. Un'altra propriet, forse pi importante per leforme di vita superiori, la sua ridotta (rispetto ad altri zuccheri esosi) tendenza a reagire con i gruppi amminicidelle proteine. Questa reazione (detta glicazione) riduce o annulla l'attivit di molti enzimi ed responsabile dinumerosi effetti a lungo termine del diabete, quali la cecit e la ridotta funzione renale. La bassa reattivit delglucosio verso la glicosilazione dovuta al suo prevalente permanere nella forma ciclica, meno reattiva.Nella respirazione, attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi, il glucosio viene ossidato fino a formarebiossido di carbonio e acqua; l'energia prodotta da questa reazione viene usata per produrre molecole di ATP.Una molecola di glucosio ed una di fruttosio unite da un legame glicosidico formano una molecola di saccarosio, ilcomune zucchero da tavola. L'amido, la cellulosa ed il glicogeno sono polimeri del glucosio e vengono generalmenteclassificati come polisaccaridi.Il nome destrosio dovuto al fatto che una soluzione di D-glucosio ruota il piano della luce polarizzata verso destra(ossia in senso orario).

Isomeria

Animazione del D-glucosio che si chiude a anello

Le forme cicliche del D-glucosio

La molecola del glucosio chirale;esistono quindi due enantiomeri, l'unospeculare all'altro, il D-glucosio el'L-glucosio. Dei due, solo il primo (D) quello utilizzato e prodotto dagliorganismi viventi.

Quando la molecola del glucosio sichiude ad anello, pu farlo in due modidiversi; il gruppo -OH legato all'atomodi carbonio immediatamentesuccessivo a quello di ossigenopercorrendo l'anello in senso orariopu infatti puntare verso il basso overso l'alto rispetto al piano mediodella molecola, nel primo caso si parladi forma , nel secondo di forma . Insoluzione acquosa le due forme siconvertono l'una nell'altra(mutarotazione) e nel giro di qualcheora le proporzioni si stabilizzano sulrapporto : 36:64.

Per stabilire se un carboidratoappartiene alla serie D o alle serie Loccorre considerare la forma apertadella molecola e confrontare la disposizione dei sostituenti attorno al penultimo atomo di carbonio con ladisposizione dei sostituenti attorno al secondo atomo di carbonio della D-gliceraldeide. Il carboidrato D se ha ilpenultimo carbonio con il gruppo alcolico a destra, L se la molecola speculare alla forma destrogira.

Glucosio 28

SintesiNei sistemi viventi il prodotto della fotosintesi nelle piante ed in alcuni procarioti; viene prodotto nel fegato per scissione delle riserve di glicogeno; viene prodotto nel fegato e dalla surrene tramite un processo noto come gluconeogenesi.

Ruolo nel metabolismo

Misuratore di glucosio per esseri umani

I carboidrati sono una fonte di energia molto importante per gliorganismi viventi; la loro combustione attraverso la respirazionefornisce circa 4 kilocalorie per grammo.

Attraverso la glicolisi, il glucosio immediatamente coinvolto nellaproduzione dell'adenosin-trifosfato (ATP), che il vettore energeticodelle cellule. altres un composto critico nella sintesi delle proteine enel metabolismo dei lipidi. Inoltre, dato che le cellule del sistemanervoso non sono in grado di metabolizzare i lipidi, il glucosiorappresenta la loro fonte principale di energia.

Il glucosio assorbito nel sangue attraverso le pareti intestinali. Partedi esso viene indirizzato direttamente alle cellule cerebrali, mentre il rimanente si accumula nei tessuti del fegato edei muscoli in una forma polimerica affine all'amido, il glicogeno. Quest'ultimo una fonte di energia ausiliaria peril corpo e funge da riserva che viene consumata quando necessario.

Proprio il rapido assorbimento del glucosio ne fa uno degli zuccheri semplici a pi alto indice glicemico, tanto cheviene internazionalmente utilizzato come unit di misura di tale indice, e posto a 100.Il fruttosio ed il galattosio, altri zuccheri che si formano dalla scissione dei carboidrati, vengono indirizzati al fegato,dove vengono a loro volta convertiti in glucosio. Questo percorso pi lungo ne fa degli zuccheri pi adatti per unutilizzo dilazionato nel tempo, in quanto il loro indice glicemico inferiore, ma la loro efficacia pi duratura, invirt del lento rilascio in forma di glucosio da parte del fegato.

Trasporto transepiteliale del glucosioL'assorbimento del glucosio a livello intestinale richiede l'intervento di diversi trasportatori del glucosio, ovveroproteine integrali di membrana che mediano il passaggio delle molecole del monosaccaride da una parte all'altradell'epitelio. Il modello che descrive questo processo prende in considerazione tre trasportatori detti SGLUT1,Na+/K+ ATPasi (pompa sodio-potassio) e GLUT2.Il sodio entra nelle cellule dell'epitelio tramite un simporto Sodio-Glucosio, SGLUT1, grazie a un gradiente diconcentrazione favorevole trascinando con s il glucosio. La differenza di concentrazione mantenuta grazie allapompa sodio/potassio che espelle costantemente ioni Na+ fuori dalla cellula. Il glucosio poi pu raggiungere lacircolazione sanguigna attraverso GLUT2 senza bisogno di ulteriore energia perch si muove secondo gradiente.

Glucosio 29

Note[1] http:/ / toolserver. org/ ~magnus/ cas. php?cas=50-99-7& language=it[2] scheda del D-glucosio su IFA-GESTIS (http:/ / gestis-en. itrust. de)

Voci correlate ATP Ciclo di Calvin Ciclo di Krebs Diabete Dolcificante NADH Galattosio Glicolisi Fruttosio Fotosintesi Monosaccaride Tessuti glucosio-dipendenti

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Collegamenti esterni (EN) Ulteriori informazioni sulla chimica e la biochimica del glucosio, su EvoWiki (http:/ / www. evowiki. org/

index. php/ Glucose)

Glicogeno 30

Glicogeno

Visione schematica bidimensionale di una sezione di glicogeno. Una proteinacentrale di glicogenina circondata da ramificazioni di unit di glucosio. L'interogranulo globulare pu contenere approssimativamente 30,000 unit di glucosio.[1]

Il glicogeno un polimero (omopolimero)del glucosio. l'analogo dell'amido, un altropolimero meno ramificato del glucosio.

Struttura

I legami tra unit di glucosio successivesono (1-4) per la maggior parte, anche sesono presenti legami (1-6). Si tratta quindidi un polisaccaride ramificato, ha un pesomolecolare molto pi elevato.

Funzione

Il glicogeno una fonte energetica neglianimali (umani inclusi) e nei funghi.

Nei vertebrati conservato prevalentementenel fegato e nei muscoli scheletrici.

Sintesi

Il processo di biosintesi del glicogeno anche diretto da tre enzimi, ma questo un processo energeticamente sfavorito, ecco perch deve intervenire l'UTP(un analogo dell'ATP) per far s che la reazione si verifichi . Gli enzimi partecipanti sono:UDP-Glicogeno-Pirofosfatasi, Glicogeno-Sintasi e Enzima Ramificante. Il primo enzima converte il Glu-1P inUDP-Glucosio, il secondo aggancia questo Glucosio sotto forma di UDP-Glu al glicogeno, dando UDP + Glicogeno,il terzo, come dice il suo stesso nome, ramifica.

La regolazione di questa via pu essere di due tipi: Allosterica: con un intervento diretto su Glicogeno Fosforilasi e Glicogeno Sintasi. Covalente: per fosforilazione e defosforilazione sugli stessi enzimi.

DegradazioneIl glicogeno una molecola che, al momento del bisogno pu andare incontro ad una demolizione, per produrreglucosio, utile alle vie glicolitiche dell'organismo; ma altre volte lo stesso glucosio che pu risultare in eccesso epu dunque essere stipato sotto forma di glicogeno.La degradazione del glicogeno catalizzata dalla glicogeno fosforilasi. Questo enzima viene attivato da adrenalina oglucagone in un meccanismo che comporta l'attivazione dell'adenilato ciclasi e la conseguente produzione di cAMP.Il processo di demolizione del glicogeno consta di tre fasi, operate da tre enzimi, quali: glicogeno fosforilasi, enzimaderamificante e fosfoglucomutasi. Il primo mira a rompere i legami (1-4)-glicosidici a dare Glu-1P, ma solo sedistanti almeno quattro unit dal punto di ramificazione; per questo che interviene l'enzima deramificante, chepermette la funzionalit della Glicogeno Fosforilasi anche l dove non potrebbe; in ultimo interviene laFosfoglucomutasi che converte le molecole di Glu-1P in Glu-6P.

Glicogeno 31

Note[1] Page 12 in: (http:/ / books. google. dk/ books?id=SRptlOx7yj4C& printsec=frontcover& hl=en) Exercise physiology: energy, nutrition, and

human performance By William D. McArdle, Frank I. Katch, Victor L. Katch Edition: 6, illustrated Published by Lippincott Williams &Wilkins, 2006 ISBN 0-7817-4990-5, 9780781749909, 1068 pages

Voci correlate Sintesi del glicogeno glicogenolisi

Altri progetti Wikizionario contiene la voce di dizionario: http:/ / it. wiktionary. org/ wiki/ glicogeno

Amido

Foto al microscopio di una patata. Sono visibili gli agglomerati di amido dal colorescuro.

Struttura dell'amido.

L'amido un carboidrato polisaccaridicoche consiste di un gran numero di unit diglucosio unite tra loro da legameglicosidico. L'amido puro una polverebianca, insapore ed inodore, che risultainsolubile nell'acqua fredda o in alcol.

L'amido prodotto dalle piante verdi, dove utilizzato come riserva nelle cellulevegetali, ed un'importante fonte alimentareanche per l'uomo. La macromolecola,quando disciolta in acqua calda, pu ancheessere utilizzata in numerosi processiindustriali come agente addensante ocollante.

Composizione

composto da due polimeri: l'amilosio (chene costituisce circa il 20%) e l'amilopectina(circa l'80%). In entrambi i casi si tratta dipolimeri del glucosio, che si differenzianol'uno dall'altro per la struttura. L'amilosio un polimero lineare che tende ad avvolgersiad elica, in cui le unit di glucosio sonolegate tra loro con legami glicosidici(14) (tra il sito 1 di una unit e quello 4dell'unit successiva). L'elica costituita da 6 molecole di glucopiranosio (glucosio) per spira, stabilizzate da legamia idrogeno come nel DNA. L'amilopectina invece un polimero ramificato che presenta catene di base di strutturasimile all'amilosio che si dispongono a formare una struttura ramificata; ogni 24-30 unit di glucosio si innestano

Amido 32

catene laterali attraverso legami (16). L'amilopectina ha una struttura a grappolo costituita da segmenti di tipo A(15-20 unit di glucopiranosio) e catene di tipo B meno numerose. Sullo scheletro delle catene di Tipo B s'insedianole catene di tipo A che costituiscono le ramificazioni. L'amilopectina caratterizzata da strutture amorfe e strutturecristalline; le prime sono costituite di legami (16), mentre le strutture cristalline danno origine a tratti di doppiaelica. L'amilopectina disposta verso l'interno in prossimit del centro dei granuli di amido.Una molecola di amilosio pu contenere sino a 1000 residui di glucosio. L'amilosio lega insieme la struttura piespansa dell'amilopectina.

Biosintesi e FunzioneL'amido il carboidrato di riserva delle piante, immagazzinato come fonte energetica, sintetizzato per via enzimaticaa partire dal glucosio, a sua volta prodotto dalla fotosintesi clorofilliana

6 CO2 + 6 H

2O + luce C

6H12O6 + 6 O

2

n C6H12O6 + enzima H-(C

6H10O5)n-OH + n-1 H

2O

La formazione dell'amido, cio l'unione dell'amilosio e dell'amilopectina, catalizzata da un enzima chiamato amidosintetasi.

ProprietIn natura l'amido ha disposizione semicristallina nei granuli, il che ne determina la quasi totale insolubilit in acqua atemperatura ambiente; una parziale solubilizzazione possibile attraverso un aumento della temperatura, e porta allaformazione di un gel.Il processo influenzato dall'origine botanica dell'amido e dalla quantit di acqua.Un altro effetto del processo di gelatinizzazione la variazione della digeribilit dell'amido: la forma cristallina difficilmente attaccabile dagli enzimi (quali - e -amilasi), mentre quella gelatinizzata lo di pi in conseguenzadella disorganizzazione strutturale avvenuta.

UtilizziL'amido si trova nei frutti, nei semi e nei tuberi delle piante.Nell'industria alimentare le cinque fonti principali di amido sono il mais, le patate, il riso, la tapioca e il grano.Anche i legumi come i fagioli ne sono ricchi.L'amido r