Biochimica: concetti base

La biochimica è la branca della chimica che tratta delle molecole rilevanti da un punto di vista biologico e delle reazioni che avvengono all’interno delle cellule e negli organismi viventi. Si tratta di una materia vastissima che qui verrà solo accennata, presentando le varie classi di composti organici che si incontrano più di frequente nell’ambito della biochimica: carboidrati, amminoacidi e proteine, lipidi, acidi nucleici.

Carboidrati

I carboidrati (o zuccheri) sono dei composti organici costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Si tratta in sostanza di polialcoli con un gruppo chetonico o aldeidico. Il loro nome è dovuto al fatto che la maggior parte di loro ha come formula generica C_n(H₂O)_n: vi è quindi una corrispondenza 1:1 tra gli atomi di carbonio e quelli di ossigeno e 1:2 tra C e H.

La classificazione dei carboidrati si basa su due principali fattori: la stereoisomeria e il numero di atomi di carbonio. I progenitori di tutti i carboidrati sono due: la gliceraldeide e il diidrossiacetone, che sono i due polialcoli con gruppo carbonile più semplici:

Come si può vedere, nella gliceraldeide è già presente un carbonio (il secondo) a cui sono legati quattro sostituenti diversi. In base al lato dove è localizzato il gruppo -OH si distingue l’enantiomero D (se si trova a destra) e quello L (se si trova a sinistra). Questa caratteristica è fondamentale nella classificazione degli zuccheri. Per i carboidrati con più di tre atomi di carbonio (e questo vale anche per i chetoni, che solo nel diidrossiacetone non hanno stereoisomeria) l’appartenenza alla serie D o L dipende dal lato in cui si trova il gruppo -OH sul carbonio più lontano da quello a cui è legato il carbonile =O.

La nomenclatura dei singoli carboidrati nell’uso comune non segue gli standard IUPAC (ovviamente validi ufficialmente e facilmente ricavabili tramite le regole), ma ogni zucchero ha un suo nome da ricordare. Vi sono però delle famiglie basate sulle principali caratteristiche: i carboidrati con gruppo aldeidico sono detti aldosi, quelli con gruppo chetonico chetosi. Inoltre, in base al numero degli atomi di carbonio si hanno triosi, tetrosi, pentosi, esosi e così via.

Negli organismi viventi tutti gli zuccheri appartengono alla serie D, per cui in biochimica spesso si omette il prefisso. I carboidrati più importanti sono i pentosi e gli esosi, in particolare il ribosio (5 C), il glucosio, il fruttosio, il mannosio e il galattosio (6 C). Queste le loro formule lineari:

In soluzione acquosa i carboidrati circolarizzano perdendo una molecola d’acqua, come esemplificato per il glucosio:

Questo porta, in base al lato (superiore o inferiore) rispetto al piano della molecola dove si posiziona il gruppo -OH del primo carbonio, alla formazione degli isomeri α (-OH sotto) e β (-OH sopra):

I monosaccaridi polimerizzano in disaccaridi con legame 1-4. Ricordiamo i più importanti: saccarosio (il comune zucchero usato in ambito alimentare), lattosio, maltosio e cellobiosio.

I polisaccaridi sono polimeri costituiti da numerosi monosaccaridi. Possono avere funzione strutturale, come la cellulosa, o di riserva energetica, come l’amido nelle piante e il glicogeno negli animali. Per una trattazione dettagliata di queste molecole, si raccomanda un testo di biochimica.

Amminoacidi e proteine

Un amminoacido è una molecola caratterizzata dalla presenza di un gruppo amminico (-NH₂) e uno acido (-COOH) legati allo stesso carbonio. A questo carbonio è poi legato un gruppo -R che varia a seconda dello specifico amminoacido. A seconda della posizione di questo carbonio, si parla di α-amminoacidi (secondo carbonio della catena, con il primo che è chiaramente quello del gruppo acido), β-amminoacidi (terzo carbonio), γ-amminoacidi e così via.

Così come gli zuccheri presenti negli organismi viventi sono della serie D, gli amminoacidi appartengono alla serie L (eccetto per alcuni che si trovano nella parete cellulare di diverse specie di batteri) e sono α-amminoacidi.

Gli amminoacidi in soluzione acquosa possono agire sia da acidi (con -COOH che diventa -COO^–), sia da basi (-NH₂ diventa -NH₃⁺), in base al pH e alla loro struttura. Per questo si definiscono anfoteri. La forma ionica doppia, con -COO^– e -NH₃⁺ è detta zwitterione.

Polimerizzando attraverso le terminazioni amminiche e acide, gli amminoacidi danno origine a polimeri, detti polipeptidi, che sono alla base delle proteine. Solitamente un polipeptide di almeno 100 amminoacidi si considera una proteina.

Le proteine hanno quattro livelli di struttura:

• Struttura primaria: la sequenza degli amminoacidi.
• Struttura secondaria: l’arrangiamento nello spazio della singola catena peptidica. La due forme tipiche sono l’α-elica, con la catena disposta a spirale con i legami a idrogeno tra amminoacidi vicini che stabilizzano la struttura, e i foglietti β, con la catena piegata in sequenze lineari, tra cui si stabiliscono legami a idrogeno tra amminoacidi lontani nella sequenza ma vicini in seguito al ripiegamento della struttura.
• Struttura terziaria: la conformazione tridimensionale della proteina.
• Struttura quaternaria: presente solo nelle proteine complesse costituite da più catene peptidiche, è l’assemblaggio nello spazio delle diverse catene tra loro.

Lipidi

I lipidi costituiscono una classe relativamente eterogenea di composti. Sono accomunati dalla loro idrofobicità e dalla composizione chimica in cui il carbonio e l’idrogeno hanno un ruolo preponderante, ma presentano tipologie anche piuttosto diverse tra loro, sia in struttura che in funzione.

Essendo questo un breve compendio di biochimica, ricordiamo qui le famiglie più importanti di lipidi:

• Trigliceridi: sono costituiti da un glicerolo esterificato a tre acidi grassi a catena lunga. Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena di soli atomi di carbonio e idrogeno. Se sono presenti legami doppi, si parla di grassi insaturi, se si trovano solo legami singoli, abbiamo un grasso saturo. Ci sono diversi modi per dare i nomi agli acidi grassi. Oltre alla nomenclatura IUPAC, spesso si usano i loro nomi comuni, ad es. acido linoleico, acido butirrico, acido oleico ecc. Gli acidi grassi insaturi si raggruppano in base all’ultimo carbonio su cui insiste il doppio legame. Con l’ultimo carbonio che è detto anche carbonio omega, se l’ultimo doppio legame termina, ad esempio, sul terzultimo carbonio, avremo un omega-3.

• Fosfolipidi: sono caratterizzati da un glicerolo a cui è legata una coda apolare, idrofoba, spesso costituita da due acidi grassi, e una testa polare, idrofila, in cui troviamo un gruppo fosfato a cui poi si legano altre molecole polari quali ammine, polialcoli e combinazioni di essi. La loro doppia natura polare-apolare le rende molecole anfipatiche. Hanno un ruolo chiave nella formazione delle membrane cellulari, con la testa idrofila esposta verso il mezzo acquoso (extra- o intracellulare) e la coda idrofoba inserita all’interno della membrana. Svolgono funzioni di trasduzione dei segnali tra interno ed esterno della cellula.

• Glicolipidi: si tratta di lipidi complessi costituiti da carboidrati e lipidi. Si trovano sulle membrane cellulari e svolgono diversi compiti quali il riconoscimento dei globuli rossi: infatti, i gruppi sanguigni altro non sono che diversi tipi di glicolipidi che si possono trovare sulla superficie dei globuli rossi.
• Steroli: sono composti derivati dallo sterolo, un lipide a struttura ad anelli con funzione alcolica. A questa classe appartengono fondamentali molecole con funzione sia strutturale che ormonale e di trasduzione del segnale. Il colesterolo, gli ormoni steroidei (ad es. testosterone e progesterone) e il cortisolo appartengono tutti a questa classe.

• Terpeni: derivati dell’isoprene, sono presenti negli organismi vegetali e prodotti anche da alcuni insetti e sono i responsabili dell’odore di piante e fiori.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono i componenti del DNA e del RNA e alcuni di essi hanno anche funzione di riserva energetica e di segnalazione intracellulare.

Un acido nucleico (o nucleotide) è costituito da tre parti:

• Una base azotata: negli acidi nucleici si trovano cinque possibili basi azotate, due derivate dalla purina e tre dalla pirimidina. La basi puriniche sono adenina e guanina, quelle pirimidiniche citosina, timina e uracile. La timina è esclusiva del DNA, l’uracile è il suo corrispettivo nel RNA.

• Uno zucchero pentoso, ribosio o desossiribosio: il ribosio è lo zucchero che si trova nel RNA, mentre nel DNA si trova il desossiribosio, che manca del gruppo -OH in posizione 2′. Lo zucchero è il punto di raccordo tra la base azotata (legata in posizione 1′) e il gruppo fosfato. Il complesso zucchero-base azotata si chiama nucleoside, e i loro nomi sono: adenosina, guanosina, citidina, timidina e uridina.
• Uno o più gruppi fosfato: derivato dall’acido fosforico H3PO4, il gruppo fosfato si lega con legame esterico al carbonio 5′ dello zucchero. Al primo fosfato si possono legare altri fosfati, e nel caso dei nucleotidi ciclici l’ultimo fosfato si lega al carbonio 3′ del pentoso.

Un nucleotide prende il nome dal nucleoside da cui è formato più l’indicazione del numero di gruppi fosfati legati. Nel caso della presenza del desossiribosio si fa precedere il nome da desossi-. Ad esempio ATP, adenosina trifosfato, o dGMP, desossiguanosina monofosfato.