GRUPPI FUNZIONALI FONDAMENTALI IN BIOCHIMICA

idrofobico catene idrocarburiche (alifatiche) R-CH3 >>>>>ALANINA:

composti aromatici (strutture ad anello con doppi legami multipli, elettroni delocalizzati)

>>>>>>FENILALANINA:

composti aromatici eterociclici>>>>>>> IMIDAZOLO:

>>>>>>>>PIRIMIDINA:

>>>>>>>>>PURINA:

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH3

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

llR

l C―N

CHC―NH H

l C―N

CHC―NH H

GRUPPI FUNZIONALI FONDAMENTALI IN BIOCHIMICA

idrofobico catene idrocarburiche (alifatiche) R-CH3 >>>>>ALANINA:

composti aromatici (strutture ad anello con doppi legami multipli, elettroni delocalizzati)

>>>>>>FENILALANINA:

composti aromatici eterociclici>>>>>>> IMIDAZOLO:

>>>>>>>>PIRIMIDINA:

>>>>>>>>>PURINA:

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH3

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

COO-

+ lH3N―C ―H

lCH2l

llR llllR

l C―N

CHC―NH H

l C―N

CHC―NH H

Ossidrilico R-OH >>>>>>>ETANOLO H3C – CH2 – OH

Aldeidico R-C-H >>>>>>>ACETALDEIDE H3C – C – H ΙΙ ΙΙO O

Chetonico R-C-R >>>>>>>ACETONE H3C – C – CH3ΙΙ ΙΙO O

Carbossilico R-C-OH >>>>>>>AC ACETICO H3C – C – OH (ac. organici) ΙΙ ΙΙ

O O

Amminico R -NH 2 >>>>>>>ALANINA H 2N – C H– C – OH

CH3 O O - OH O-Ι Ι Ι

Fosfato R -O- P -O - >>>>> AC. 3-FOSFOGLICERICO HO – C – CH – CH 2 – O – P – O-

(fosfati organici) ΙΙ ΙΙ ΙΙO O O

Sulfidrilico R-SH >>>>>>> CISTEINA (Tioli )

COO -

+ lH3N― C ―H

lCH 2l

SH

COO -

+ lH3N― C ―H

lCH 2l

SH

-NH 2 2N – C H– C – OH Ι ΙΙ

O -Ι

-O- P -O - - – C – CH – CH 2 – O – P – O-

(fosfati organici) ΙΙO

Sulfidrilico R-SH >>>>>>> CISTEINA (Tioli )

COO -

+ lH3N―

lCH 2l

SH

COO -

+ lH3N―

lCH 2l

SH

1) ALCOLI formando legami ESTEREI

2) AMMINE formando legami carboammidici

AMMIDE

Le biomolecole che si studiano in biochimica contengono 1 o più gruppi funzionali tra quelli elencati

I gruppi funzionali delle biomolecole stabiliscono legami e interazioni. Un ACIDO CARBOSSILICO PUO’ REAGIRE CON:

R – C – OR’ + H2OΙΙO ESTERE

+ R’ – Ö – H R – C – OH ΙΙO

R – C – OR’ + H2OΙΙO

R – C – OR’ + H2OΙΙO ESTERE

+ R’ – Ö – H R – C – OH ΙΙO

+ R’ – N – HΙH

R – C – OH ΙΙO

..+ R’ – N – H

ΙH

R – C – OH ΙΙO

..R – C – N – R’ + H2O

\H

ΙΙO

R – C – N – R’ + H2O\H

ΙΙO

H

4) CON ALTRI ACIDI formando legami ANIDRIDICI MISTI

ANIDRIDE MISTA

+ H2O

OH Ι

R – C – O – P – OH ΙΙ ΙΙO O

R – C – OH ΙΙO

OH Ι

+ HO – P – OH ΙΙO

+ H2O

OH Ι

R – C – O – P – OH ΙΙ ΙΙO O

R – C – OH ΙΙO

OH Ι

+ HO – P – OH ΙΙO

R – C – OH ΙΙO

OH Ι

+ HO – P – OH ΙΙO

3) CON ALTRI ACIDI CARBOSSILICI formando legami ANIDRIDICI

Anche il gruppo fosforico può reagire con gli alcoli per formare ESTERI MISTI

5) GRUPPI TIOLICI formando legami TIOESTERE

R – C – OH ΙΙO

+ R’ – SH R – C – SR’ ΙΙ O

R – C – OH ΙΙO

+ R’ – SH R – C – SR’ ΙΙ O

+ H2O

LE BIOMOLECOLE POSSONO STABILIRE INTERAZIONI DEBOLI, NON COVALENTICHE SONO FONDAMENTALI IN TUTTI PROCESSI BIOCHIMICI1) INTERAZIONI IONICHE (o ELETTROSTATICHE) – tra molecole con gruppi carichi –2) LEGAMI IDROGENO – tra molecole con gruppi polari –3) INTERAZIONI DI VAN DER WAALS – tra molecole non polari, di natura idrofobica –

+ H2O

OH Ι

R – C – O – P – OH ΙΙ ΙΙO O

R – C – OH ΙΙO

OH Ι

+ HO – P – OH ΙΙO

+ H2O

OH Ι

R – C – O – P – OH ΙΙ ΙΙO O

R – C – OH ΙΙO

OH Ι

+ HO – P – OH ΙΙO

R – C – OH ΙΙO

OH Ι

+ HO – P – OH ΙΙO

- HH — N-R’

H

+HH — N-R’

H

+

distanza alla quale si verifica la maggiore

attrazione tra le molecoleTymoczko et al., PRINCIPI DI BIOCHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright © 2010

CARBOIDRATI Monosaccaridi (CH2O)nOligosaccaridi (da 2 a 20 residui monosaccaridici)Polisaccaridi o glicani (>20 residui)

Classificati all’interno delle due famiglie in base al n° di atomi di carbonio: minimo 3 massimo 9 (triosi, tetrosi, pentosi, esosi…)

Zuccheri più semplici:

aldotrioso

chetotrioso1

2

3

1

2

3

ALDOSI (poliidrossialdeidi) CHETOSI (poliidrossichetoni)

(gruppo aldeidico R –C=O) (gruppo chetonico R –C– R )

H O

ALDOSI

– R –C– R )

ALDOSI (poliidrossialdeidi) CHETOSI (poliidrossichetoni)

(gruppo aldeidico R –C=O) (gruppo chetonico R –C– R )

H O

ALDOSI

– R –C– R )

ALDOSI (poliidrossialdeidi) CHETOSI (poliidrossichetoni)

(gruppo aldeidico R –C=O) (gruppo chetonico R –C– R )

H O

ALDOSI

– R –C– R )

ALDOSI (poliidrossialdeidi) CHETOSI (poliidrossichetoni)

(gruppo aldeidico R –C=O) (gruppo chetonico R –C– R )

H O

ALDOSI

– R –C– R )

Se n è il numero dei centri chirali in una molecola, per

essa saranno possibili 2n

stereoisomeri, che sono coppie di enantiomeri.

La gliceraldeide è uncomposto chirale,il diidrossiacetone èachirale.

1 centro chirale = 2 stereoisomeri possibili, la D-gliceraldeide e la L-gliceraldeide che sono tra loro immagini speculari non sovrapponibili (ENANTIOMERI).

STEREOISOMERIA DEGLI ZUCCHERI

* *

Molecole con centri chirali (carboni asimmetrici)

Ad eccezione del diidrossiacetone tutti gli altri monosaccaridi sono composti chirali, otticamente attivi (possono ruotare il piano della luce polarizzata verso

destra (+) o verso sinistra (-))Si definisce uno zucchero D o L in base alla configurazione dell’ultimo centro

chirale (cioè il centro chirale più lontano dal C-carbonilico).

Nella proiezione lineare dello zucchero (proiezione di Fisher): l’-OH legato all’ultimo centro chirale va a destra nei D-zuccheri

l’-OH legato all’ultimo centro chirale va a sinistra negli L-zuccheri

Aldotetrosi: 4 atomi di carbonio, 2 centri chirali 22 = 4 stereoisomeri che differiscono per la

configurazione dei loro centri chirali

2 D-aldotetrosi e i loro corrispondenti 2 L-aldotetrosicioè 2 coppie di enantiomeri

Aldotetrosi: 2 centri chirali (C-2 e C-3)

D-eritrosio D-treosio L-treosio L-eritrosio

diastereoisomeri diastereoisomerienantiomeri

enantiomeri

Ciascuno di questi zuccheri ha proprietà differenti e funzioni diverse. Infatti, ognimonosaccaride ha una disposizione UNICA degli atomi legati ai suoi centri chirali, che gli dàcaratteristiche specifiche.

Gli aldosi con catena più lunga sono estensioni della gliceraldeide, che si possono ottenere inserendo gruppi H-C-OH dopo il carbonio carbonilico.

D-aldotetrosi(2)

D-aldopentosi(4)

D-aldoesosi(8)

Tymoczko et al., PRINCIPI DI BIOCHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright © 2010

serie D1 C*

2 C*

3 C*

4 C*

D-glucosio L-glucosio

Devo invertire la configurazione di ogni centro chirale

EPIMERI: stereoisomeri che differiscono tra loro solo per la configurazione di 1 centro chirale

IL GLUCOSIO HA 2 EPIMERI: MANNOSIO E GALATTOSIO

CHETOSI (serie D)Gruppo carbonilico in posizione 2

achirale

D-chetotetroso(1)

D-chetopentosi(2)

D-chetoesosi(4)

1 C*

2 C*

4 C*

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In soluzione acquosa gli aldosi con almeno 5 atomi di carbonio e ichetosi con almeno 6 atomi di carbonio vanno incontro ad un processodi ciclizzazione reversibile con la formazione di un legame internoemiacetalico o emichetalico

Aldeide + Alcool emiacetale + alcool acetale

Chetone + Alcool emichetale + alcool chetale

Proiezione di Haworth

Glucosio: Legame emiacetalico fra il C-1 e il C-5Il carbonio carbonilico diventa emiacetalico e viene chiamato ANOMERICO

C-1 negli aldosi diventa chirale

1

3 2

4

5

6

1

3 2

4

5

6

¨δ+

δ-

Le due diverse forme anomeriche del monosaccaride sono in equilibrio rapido con la forma lineare, la miscela all’equilibrio presenta circa 2/3 di

anomero beta e 1/3 di anomero alfa, mentre la forma aperta è < 1%.

Configurazione dei Carboni chirali nella struttura ciclica per uno zucchero in configurazione D: posto il gruppo alcolico primario (-CH2OH in 6) sopra il piano dell’anello, gli OH che nella proiezione di Fisher stanno a destra si scrivono sotto il piano dell’anello, quelli che stanno

a sinistra si scrivono sopra il piano dell’anello.

~ 33% ~ 66%

Ciclizzazione fra il carbonio carbonilico in posizione 2 e il gruppo alcolico in posizione 5: anello a 5 atomi, È la forma ciclica più comune del fruttosio.

Il carbonio ANOMERICO del fruttosio è il C-2, diventa chirale

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1

2

4 3

5

6

O OH

1

2

4 3

5

6

1

2

4 3

5

6

O OH

1

2

4 3

5

6O OHO OH

1

2

4 3

5

6

RIBOSIO: aldopentosoCiclizzazione fra il C – 1 e il C – 4

H

H

α - D- Ribofuranosio β- D- Ribofuranosio

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

OH

H

OH

H

H

H

- D- Ribofuranosio - D- Ribofuranosio

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5H

H

- D- Ribofuranosio - D- Ribofuranosio

14

5

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

14

5

H H

OH OH

H

H

α - D- Ribofuranosio β- D- Ribofuranosio

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

OH

H

OH

H

H

H

- D- Ribofuranosio - D- Ribofuranosio

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5H

H

- D- Ribofuranosio - D- Ribofuranosio

14

5

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

14

5

H H

OH OH

Gli anelli dei monosaccaridi in realtà non sono planari ma possono avere diverse conformazioni.L’anello del glucosio può avere conformazione a sedia o a barca. Le conformazioni a sedia sono più stabili perché minimizzano la repulsione sterica fra i sostituenti dell’anello

a = posizione assiale

e = posizione equatoriale

La conformazione a “sedia” più stabile è quella in cui i gruppi più voluminosi in posizione equatoriale (sul piano dell’anello)

SEDIA BARCA

D-glucosio

OH

Ac. D-gluconicoD-glucosio

OH

Ac. D-gluconico

Derivati dei monosaccaridi1) ZUCCHERI ACIDIPossono derivare dall’ossidazione del gruppo aldeidico degli aldosi (ACIDIALDONICI) ad opera di un agente ossidante (ione rameico Cu2+, complessoargento-ione ammonio Ag(NH3)

2+……)

Gli zuccheri con il carbonio anomerico ossidabile sono detti zuccheririducenti.

Cu2+

Ac. D-Gluconico

In soluzione acida gli acidi aldonici formano LATTONI (esteri intramolecolari fra il Carbossile in posizione 1 e il gruppo alcolico in posizione 5)

D-glucono-δ-lattone

1

5

1) ZUCCHERI ACIDIPossono derivare anche dall’ossidazione del gruppo alcolico primario (ACIDI ALDURONICI).Dal glucosio si ottiene, per ossidazione del CH2OH in posizione 6, l’AC. β-D-GLUCURONICO

6

Viene persa H2O

2) AMMINOZUCCHERIUn gruppo –OH è sostituito da un gruppo amminico, in alcuni casi il gruppo amminico è acetilato. Gli ammino-derivati di glucosio e galattosio sono abbondanti nei glicoconiugati (glico-proteine, proteoglicani, glicolipidi)

β-D-Galattosamminaβ-D-Galattosammina

3) ZUCCHERI FOSFORILATIEsteri tra un gruppo alcolico dello zucchero e l’acido fosforico, nelle vie metaboliche i monosaccaridi sono spesso convertiti in esteri fosforilati

4) DEOSSIZUCCHERI (zuccheri ridotti)Un gruppo –OH è sostituito da un atomo d’idrogeno

β-2-deossi-D-RibosioCostituente del DNA

β-D-glucosio-6-fosfatoβ-D-glucosio-6-fosfato

H

1

3 2

4

5

H

H

1

3 2

4

5

H

H

1

3 2

4

5

1

3 2

4

5

H

LEGAME GLICOSIDICO

È un legame acetalico in cui il carbonio anomerico di uno zucchero condensa con un alcol, un’ammina o un tiolo, ne consegue la

perdita di 1 molecola di H2O

I composti che si ottengono dai legami glicosidici sono detti GLICOSIDI

il legame glicosidico blocca lo zucchero nella struttura ciclica

emiacetale acetale

Formazione di disaccaridi: legame O-glicosidico, il C-anomerico condensa con un gruppo alcolico

Emiacetale

MALTOSIO

Emiacetale

α-D-glucosio

MALTOSIO

α-D-Glucopiranosil-(1→4)-D-glucopiranosio

β-D-glucosio

Acetale Emiacetale

Il 2° residuo ha il C anomerico libero

Il residuo che impegna il C-anomerico ha la configurazionebloccata, in questo caso è alfa.

È alfa perché il carbonio anomerico (C-1) impegnato nel legame glicosidico è bloccato in

configurazione alfa

Il C-1 del 2° residuo è libero, puòessere α o β, costituisce l’estremitàriducente del disaccaride. È capace diridurre ioni metallici Cu2+, Ag+ equindi può essere ossidato.

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

α - ma può diventare ββ

LEGAME β-GLICOSIDICO (1→4)

Estremità riducente

α-D-GLUCOSIOβ-D-GALATTOSIO

O

2

14 3

5

6

LEGAME GLICOSIDICO

α-(1→2)β-(2→1)

Sono impegnati i due carboni anomerici dei due residui:C-1 alfa del glucosioC-2 beta del fruttosioe’ un disaccaride NON RIDUCENTE

α-D-Glucopiranosil-(1→2)-β-D-Fruttofuranosioβ-D-Fruttofuranosil-(2→1)-α-D-Glucopiranosio

SACCAROSIO

α-D-Glucopiranosio

β-D-Fruttofuranosio

α

β

POLISACCARIDI (GLICANI)

OmopolisaccaridiLineari ramificati

EteropolisaccaridiLineari ramificatiCon 2 o + tipi di unità monosaccaridiche

Alcuni sono utilizzati come sostanze di riserva energeticaAltri come elementi strutturali nelle piante, negli animali, nei batteri

Polisaccaridi di riserva: Amido nelle pianteGlicogeno negli animali

Formano all’interno delle cellule degli agglomerati o granuli. Le molecole diamido o glicogeno sono fortemente idratate per la presenza di molti gruppiossidrilici che possono formare legami H con l’H2O

AMIDO: costituito da due polisaccaridi

Amilosio: lunghe catene lineari di unità di α-D-glucosio unite da legami O-glucosidici α-(1→4)

Amilopectina: lunghe catene ramificate di unità di α-D-glucosio unite da legami O-glucosidici α-(1→4) lungo la catena e legami O-glucosidici α-(1→6) nei punti di ramificazione (ogni 24-30 residui)

AMILOPECTINA

Punto di ramificazione

6

Catena principale

Ramificazione

Estremità riducente

Estremità non riducente

Estremità non riducente

AMILOPECTINA

Punto di ramificazione

6

Catena principale

Ramificazione

Punto di ramificazione

6

Catena principale

Ramificazione

Estremità riducente

Estremità non riducente

Estremità non riducente

Estremità non riducente

Estremità riducente

AMILOSIO

Estremità non riducente

Estremità riducente

AMILOSIO

GLICOGENO: polisaccaride ramificato costituito da unità di D-glucosio unite da legami O-glucosidici α-(1→4) lungo la catena e legami O-glucosidici α-(1→6) nei punti di ramificazione (ogni 8-16 residui)

Glicogeno e amilopectina hanno 1 sola estremità riducente e molte estremità non riducenti, tante quante sono le ramificazioni. Le molecole di glucosio utilizzate per fornire energia vengono liberate dalle estremità non riducenti da parte degli enzimi degradativi. Questi possono quindi agire contemporaneamente in diversi punti della molecola

Punto di ramificazione

6

Catena principale

Ramificazione

Estremitàriducente

Estremità non riducente

Estremità non riducente

Punto di ramificazione

6

Catena principale

Ramificazione

Punto di ramificazione

6

Catena principale

Ramificazione

Estremitàriducente

Estremità non riducente

Estremità non riducente

Le catene di polisaccaridi possono assumere una struttura tridimensionale,dettata dalla rotazione che può avvenire liberamente intorno al legameglicosidico. Le catene glucidiche di amilosio, amilopectina e glicogeno tendono adavvolgersi a spirale assumendo una conformazione ad elica. Queste catenespiralizzate aggregano formando granuli di deposito.

Sono stabilizzate da legami H fra i gruppi OH

Il glicogeno negli animali è conservato sotto forma di granuli nelle cellule epatiche e nel tessuto muscolare scheletrico.

È vantaggioso per la cellula conservare glucosio sotto forma di polimeri:Infatti, se gli epatociti dovessero contenere in forma monosaccaridica la quantità

di glucosio immagazzinato nel glicogeno, la concentrazione di glucosio intracellulare sarebbe ~ 0.4 M, ciò significherebbe un’osmolarità elevatissima

che porterebbe alla lisi cellulare.

Inoltre ci sarebbe una spesa energetica insostenibile per portar dentro la cellula altro glucosio contro gradiente (il glucosio plasmatico è 5 mM).

La concentrazione di glicogeno è 0.01 μM, inoltre è insolubile quindi contribuisce poco all’osmolarità della cellula.

estremitànon

riducenteestremitàriducente

estremitànon

riducenteestremitàriducente

CELLULOSA: polisaccaride lineare costituito da unità di D-glucosio unite da legami O-glucosidici β-(1→4).

In realtà le unità di glucosio sono ruotate di 180° l’una rispetto all’altra.

β β β β

Le catene lineari di cellulosa risultano avere una conformazione rigida. Più catene lineari (circa 80) si affiancano e si associano attraverso un gran numero di legami idrogeno tra i gruppi OH (intracatena e intercatena).

Il risultato è la formazione di una microfibrilla molto resistente che va a costituire la parete della cellula vegetale

CHITINA: costituisce l’esoscheletro degli artropodi. È un omopolisaccaride costituito da unità di N-acetil-D-glucosammina uniti tramite un legame β(1→4)

Come la cellulosa forma delle fibre molto resistenti

PROTEOGLICANI

GLICOPROTEINE

GLICOLIPIDI

Presenti nella matrice extracellulare, costituiti da più molecole di glicosamminoglicani (etero-polisaccaridi) uniti covalentemente ad una proteina di membrana o secreta.Mediano l’attività di fattori di crescita, regolano l’assemblaggio delle fibre di collagene con cui interagiscono, contribuiscono alla resistenza meccanica del tessuto connettivo, modulano lo sviluppo di vari tessuti (cartilagine, tendini)

Costitute da proteine a cui sono legate catene oligosaccaridiche. Sono presenti nella membrana plasmatica, nel sangue, nei fluidi biologici e nella matrice extracellulare. Costituiscono siti di riconoscimento per altre proteine sulla superficie delle cellule, sono coinvolte nei meccanismi di comunicazione cellulare e in tante altre funzioni.

Lipidi di membrana legati a oligosaccaridi e fungono da siti di riconoscimento per diverse proteine

GLICOCONIUGATI