Le macromolecole organiche

•Lipidi

•Glucidi

•Proteine

•Acidi nucleici

Tecnicamente

solo le ultime tre

categorie sono

costituite da

macromolecole

Le macromolecole, assieme, costituiscono la maggior

parte del contenuto secco degli organismi viventi

La caratteristica comune a tutte le macromolecole è di

essere costituite da strutture complesse (polimeri)

ottenute dall’assemblaggio di unità più piccole

(monomeri).

Così come con gli stessi mattoni si possono costruire

un numero enorme di case differenti, a partire dagli

stessi monomeri ciascun organismo può costruire le

proprie macromolecole

Di norma gli animali non ricavano le macromolecole

direttamente dagli esseri viventi di cui si cibano.

Durante la digestione, i polimeri vengono

‘scomposti’ in monomeri e assorbiti come tali.

Idrolisi e condensazione: due reazioni chimiche estremamente importanti e

diffuse La condendensazione (o disidratazione) è la formazione di

un legame tra due molecole (o anche tra due parti della

stessa molecola) con perdita di una molecola d’acqua

C

C

C

O

H

H C

C

C C

H

O H

H

C

C

C

H C

C

C C

H

O

H

O

H H

L’idrolisi è in qualche modo il

processo inverso: la rottura di

un legame mediante l’aggiunta

di una molecola d’acqua

I lipidi sono un gruppo eterogeneo di sostanze. Essi sono

caratterizzati dalla loro insolubilità in acqua e dalla

affinità per i solventi apolari e per gli altri lipidi

• Trigliceridi

• Steroidi

• Fosfolipidi

• Carotenoidi

Funzione di deposito

Varie funzioni tra cui

quella di messaggeri

chimici (ormoni)

Sono la base costituente

delle membrane

biologiche

Fotopigmenti,

antiossidanti

Trigliceridi

La funzione primaria dei trigliceridi

(grassi e olii) è quella di fornire

energia per i processi metabolici.

I legami all’interno di queste

molecole infatti contengono un alto

livello di energia

1 gr di grassi ~ 9 cal

1 gr di zuccheri ~ 4 cal

1 gr di proteine ~ 4 cal

Olii liquidi a 20°

Grassi solidi a 20°

I trigliceridi possono essere facilmente

accumulati come riserva energetica

in tessuti specializzati

Gli olii nei

semi delle

piante

I grassi nel

tessuto adiposo

degli animali

Oltre a fornire

direttamente energia,

il tessuto adiposo può

serve a coibentare

Struttura chimica dei Trigliceridi

In ciascuna molecola di trigliceride, tre molecole

di acidi grassi sono legate ad una molecola di

Glicerolo

Aci

do

gra

sso

Aci

do

gra

sso

Aci

do

gra

sso

Glicerolo

Il Glicerolo è una

piccola molecola a tre

atomi di carbonio

Gli acidi grassi sono costituiti da

lunghe molecole (fino a 20 e più

atomi di carbonio)

Nel trigliceride il legame si

forma tra il gruppo COOH

(carbossilico) dell’acido grasso

e il gruppo OH del glicerolo. E

prende il nome di legame di

estere

È da notare che sia il glicerolo che gli acidi grassi sono solubili in acqua.

Tuttavia dopo la reazione di condensazione la molecola diventa apolare

Ci sono due categorie di acidi grassi,

quelli saturi e quelli insaturi

Alcuni acidi grassi

posseggono più di un

doppio legame nella loro

catena. In questo caso si

definiscono poliinsaturi

Se gli acidi grassi sono saturi, le molecole di trigliceridi si dispongono

in modo ordinato e i lipidi sono solidi a temperatura ambiente

Se gli acidi grassi sono insaturi, le molecole di trigliceridi si

dispongono in modo disordinato e i lipidi sono liquidi

Burro

Olio di

oliva

I primi tendono maggiormente a depositarsi nelle arterie Malattie vascolari

Fosfolipidi I fosfolipidi hanno una struttura affine a quella dei

trigliceridi dove al una delle catene di acidi grassi

è sostituita da un gruppo fosforico

Gru

pp

o

fosf

ori

co

Fortemente polare

Affinità per l’H2O

Aci

do

gra

sso

Aci

do

gra

sso

Glicerolo

Fortemente apolare

Affinità per i lipidi

Grazie a questa loro caratteristica di avere una porzione

idrosolubile e una idrofoba, i fosfolipidi tendono naturalmente

a disporsi con le teste idrofile rivolte verso l’acqua e le code

idrofobe rivolte una contro l’altra

Essi sono i pricipali componenti delle membrane biologiche

Carotenoidi I carotenoidi sono una

famiglia di lipidi in grado di

assorbire la luce che hanno

varie funzioni

Il β-carotene è il precursore

della vitamina A dal quale

deriva il retinale che svolge una

importante funzione come

fotopigmento nella retina

I carotenoidi sono in molti casi

responsabile del colore sia negli

animali che nelle piante

La maggior parte dei carotenoidi

ha una forte funzione

antiossidante (neutralizzazione

dei radicali liberi)

Approfondimento:

Radicali liberi, ossidazione e Carotenoidi I processi metabolici della cellula generano continuamente composti

dell’ossigeno (Radicali Liberi) caratterizzati dall’avere un numero spaiato di

elettroni e dalla forte tendenza a cedere O e ad ossidare le molecole

O2- anione superossido

H2O2 acqua ossigenata

OH- radicale idrossilico

I radicali liberi sono utilizzati per alcune

funzioni quali inattivare virus e batteri,

detossificare, attivare certi enzimi

Essi tuttavia hanno anche effetti dannosi sulla cellula:

- Reagiscono con il DNA provocando mutazioni (e tumori)

- Agiscono sugli acidi grassi dei fosfolipidi danneggiando le membrane

- Possono agire su certi enzimi di membrana (pompe ioniche) interferendo

con l’equilibrio idro-salino della cellula

Steroidi

Si tratta di una famiglia di composti organici

molto importanti che hanno una struttura comune

basata su più anelli fusi tra loro

Il colesterolo è un

importantissimo componente

delle membrane cellulari

Di questa famiglia fanno parte

una serie di molecole che hanno

funzione di messaggeri chimici,

gli ormoni steroidei

Sono O. steroidei per esempio

gli ormoni sessuali come il

testosterone o il progesterone

I glucidi o carboidrati sono un gruppo eterogeneo di sostanze. Essi

hanno in comune la formula minima CH2O. Il nome carboidrati

deriva dal fatto che sono composti oltre che da C, da H e O nelle

proporzioni in cui si trovano nell’acqua

• Monosaccaridi

• Disaccaridi

• Polisaccaridi

Monosaccaridi Sono molecole a 5 o a 6 atomi di carbonio di regola a forma di anello

I monosaccaridi pentosi sono

importanti costituenti degli

acidi nucleici, RNA e DNA

Ribosio e desossiribosio

Il più noto è il glucosio

I monosaccaridi esosi (fruttosio, galattosio, glucosio ecc.) sono

implicati nel metabolismo energetico. Essi sono anche i costituenti di

disaccaridi e polisaccaridi

Il glucosio è al centro dei

processi del metabolismo

energetico della cellula.

Esso esiste sia in forma

ciclica che in forma lineare

con la possibilità di passare da

una forma all’altra

Disaccaridi

Il Maltosio è un disaccaride formato da due

molecole di Glucosio (α- e β-Glucosio sono due

isomeri della stessa molecola)

Il saccarosio (lo zucchero da cucina) è un

disaccaride formato da una molecola di

Glucosio e una di Fruttosio

Il lattosio (lo zucchero del latte) è un disaccaride formato da

una molecola di Glucosio e una di Galattosio

Formazione

di un

Legame

glicosidico

Polisaccaridi

Funzione stutturale

La cellulosa è costituita

da grandi molecole lineari

composte da sequenze di

molecole di Glucosio. È

il costituente principale

della parete cellulare nei

vegetali. Per ottenere

glucosio servono enzimi

speciali e un tempo lungo

Anche nel regno animale

si trovano polisaccaridi

con funzione strutturale,

ad es. la Chitina

(esoscheletro degli insetti)

e la galattosammina

(cartilagini)

Riserva energetica

L’ Amido è un

polimero del Glucosio

poco ramificato. È il

principale glucide di

accumulo nei vegetali.

Tramite enzimi può

essere facilmente

convertito a Glucosio

Il Glicogeno è anch’esso un

polimero del Glucosio.

Viene utilizzato come

zucchero di riserva dagli

animali e depositato nel

fegato e nei muscoli.

È molto ramificato. È

insolubile e pertanto il suo

accumulo non modifica

l’osmolarità della cellula

Proteine

Esistono decine di migliaia di diverse proteine. In ciascun essere vivente esse

svolgono funzioni fondamentali che nessun altro tipo di molecola potrebbe

svolgere

Nella cellula catalizzano migliaia di

differenti reazioni chimiche (Enzimi) Permettono il passaggio selettivo di

molecole attraverso la membrana

(Canali Ionici e Pompe) Trasportano specifiche molecole sia

nelle cellule che nei fluidi esterni

Attaccano selettivamente gli agenti

esterni (anticorpi del S.I.)

Fungono da messaggeri chimici

(Ormoni e neurotrasmettitori)

Hanno funzione strutturale sia

all’interno della cellula

(citoscheletro) che al di fuori (es

cheratine)

Regolano lo sviluppo e orchestrano il

funzionamento dell’intera cellula

Presiedono al movimento sia all’interno della cellula (cilia, trasporto

assoplasmatico) che a livello di sistema (es lavoro muscolare)

Struttura chimica delle proteine

Ciascuna proteina è un polimero costituito da

una serie di componenti di base, gli aminoacidi

legati tra loro Esistono circa 20 diversi aminoacidi legati tra

loro con un legame (che si chiama legame

peptidico) Ciascuna proteina e costituita da un numero

variabile di aminoacidi.

Le più piccole sono costituite da pochi

aminoacidi (in reltà quelle più piccole vengono

chiamate polipeptidi) Le più grandi possono essere costituite anche

da 5.000 aminoacidi

val

ina

Ala

nin

a

Pro

lin

a

Arg

inin

a

val

ina

Lis

ina

val

ina

trip

tofa

no

trip

tofa

no

Sono

praticamen

te gli stessi

in tutti i

viventi

Ciascuno dei 20 aminoacidi ha:

una parte comune agli altri e una parte che è specifica per quell’aminoacido

H

NH2-C-COOH

R

È la porzione

dell’aminoacido che serve

a formare il legame

peptidico (con gli altri

aminoacidi)

Residuo aminoacidico

Chiamato anche con i termini:

Catena laterale

Gruppo R

Il residuo aminacidico nei 20

aminoacidi differisce per il

numero di atomi di C e per la

presenza di gruppi funzionali

Esso fornisce proprietà diversa a

ciascuno dei 20 aminoacidi

I venti aminoacidi differiscono tra loro in quanto:

• I residui sono carichi oppure elettricamente neutri

• I primi possono avere carica positiva o negativa

• Alcuni hanno residui idrofobici mentre altri hanno residui polari

• I residui hanno ingombri molto diversi

• Alcuni residui hanno gruppi funzionali peculiari

Questa differenza nelle caratteristiche dei Residui Aminoacidici

determina sia la struttura tridimensionale della proteina che le sue

funzionalità

Amino Acidi Idrofilici

Amino acidi idrofobici e amino acidi

“speciali”

Il legame peptidico

H

NH2-C-COOH

R

La porzione comune ad ogni aminoacido è

costituita da un C cui sono legati il gruppo R,

un idrogeno e due gruppi funzionali:

un gruppo aminico NH2

un gruppo carbossilico COOH

Il legame peptidico è un legame covalente e si

forma tra il gruppo aminico NH2 di un aminoacido

e il gruppo carbossilico COOH dell’altro

H

NH2-C-COOH

R

H

NH2-C-COOH

R

R

R

R

R

I legami peptidici uniscono gli amino

acidi in catene lineari

• Primaria: la sequenza lineare degli amino acidi

• Secondaria: l’organizzazione di parti di una catena polipeptidica

(esempio: l’ elica o il foglietto )

• Terziaria: la struttura tridimensionale completa di una catena

polipeptidica

• Quaternaria: l’associazione di due o più polipeptidi in una struttura

complessa multi-subunità

Quattro livelli di struttura determinano la

forma di una proteina

Le strutture secondarie sono mantenute da legami idrogeno

tra atomi di residui aminoacidici.

Strutture secondarie: l’ elica

Strutture secondarie: il foglietto beta

La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla

conformazione della catena polipeptidica.

La struttura quaternaria è l’organizzazione di polipeptidi

in un’unica unità funzionale che consiste di più di una

subunità polipeptidica.

Rappresentazioni grafiche differenti della stessa proteina

Gli enzimi

In alcune reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della

reazione è complessivamente maggiore di quello dei reagenti.

Perché avvenga la reazione è necessario fornire energia

Queste reazioni si chiamano endoergoniche

In in altre reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della

reazione è minore di quello dei reagenti.

Quando la reazione chimica avviene si ha liberazione di energia

Queste reazioni si chiamano esoergoniche

Non è detto che perché una reazione è esoergonica essa

debba obbligatoriamente avvenire

Ad esempio la reazione che ha luogo durante la combustione di un

fiammifero è fortemente esoergonica ma perché avvenga occorre

inizialmente aggiungere energia per superare una barriera di attivazione

(sfregando la capocchia si produce calore)

Energia potenziale

Energia di attivazione

Nelle reazione esoergoniche il livello energetico dei reagenti è superiore a quello

dei prodotti della reazione. Tuttavia se vi è una energia di attivazione da superare

abbastanza grande, può accadere che solo poche molecole in ogni istante

posseggano sufficiente energia per superarla

Reagenti

Prodotti

Aumentando la temperatura e l’agitazione molecolare un numero sempre

maggiore di molecole riesce a superare l’energia di attivazione facendo decorrere

interamente una reazione nella direzione del minor contenuto energetico

Tuttavia questo innalzamento della temperatura potrebbe essere incompatibile con

la vita di una cellula

Gli enzimi sono molecole proteiche che fungono da catalizzatori chimici.

Essi sono dei catalizzatori biologici

Particolari sostanze chiamate

catalizzatori sono ingrado di

favorire le reazioni esoergoniche

abbassando l’energia di

attivazione e aumentando la

velocità della reazione (pur senza

partecipare)

Energia potenziale

Energia di attivazione

Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche abbassando l’energia

di attivazione

Grazie agli enzimi possono avvenire, a temperatura compatibili con la vita,

reazioni che altrimenti avverrebbero solo ad alte temperature

Grazie agli enzimi possono avvenire negli esseri viventi reazioni che altrimenti

avverrebbero con grande emissione di energia

Esistono migliaia di diversi tipi di enzimi ognuno specifico per una data reazione

chimica

Il nome della maggior parte degli enzimi è caratterizzato

dalla presenza del suffisso –asi (es. DNA-polimerasi)

Grazie agli enzimi possono avvenire anche reazioni endoergoniche mediante

l’accoppiamento di queste con reazioni esoergoniche

L’enzima agisce essenzialmente abbassando

l’energia di attivazione della reazione

L’enzima agisce formando uno specifico complesso enzima substrato. Esso

possiede un sito attivo nel quale solo quel particolare substrato si adatta

1) Orienta

correttamente

nello spazio le

molecole che

devono reagire

2) Forma molteplici

legami deboli con il

substrato modificando la

configurazione elettrica

e la forza dei legami nel

substrato

Reazioni esoergoniche

Reazioni endoergoniche

Nelle reazioni endoergoniche

catalizzate da enzimi quasi sempre

entra in gioco la molecola dell’ATP

(adenosintrifosfato) una molecola con

tre atomi di fosforo che all’occorrenza

ne può perdere uno liberando energia

Gli enzimi permettono inoltre che

avvengano reazioni endoergoniche

mediante l’accoppiamento con

reazioni che liberano energia

Nell’idrolisi da ATP (tre gruppi fosfato) ad ADP (due gruppi fosfato) si ha

liberazione di una grande quantità di energia che era contenuta nel legame

fosforico. Questa energia può essere usata per far decorrere una reazione

endoergonica

Ovunque

nella cellula

La stessa molecola può essere riusata moltissime volte. L’ADP infatti viene

riconvertito in ATP utilizzando specifiche reazioni esoergoniche in particolare

quelle connesse con la respirazione (nei mitocondri)

Nei

mitocondri

In altre parole l’enegia contenuta nei cibi che mangiamo viene utilizzata per

produrre ATP (tramite la respirazione nei mitocondri). L’ATP in seguito viene

utilizzato quale molecola di scambio per tutti i processi della cellula che richiedono

energia.

• Metabolismo -Reazioni chimiche endoergoniche

• Movimento (es muscolo, movimento ciliare)

• Pompe di membrana (per mantenere la concentrazione di soluti)

• Mantenimento della temperatura corporea

In altri casi l’enzima possiede due siti attivi e catalizza due reazioni

enzimatiche una endoergonica e una esoergonica la quale serve

sostanzialmente a fornire energia alla prima reazione

Endoergonica

Esoergonica

Energia

Il metabolismo è organizzato in vie metaboliche

X Enzima A Enzima B Enzima C

Z Enzima E

Le vie metaboliche possono biforcarsi

Se è presente solo l’enzima B allora si produrra la molecola X. Se è presente

l’enzima D si produrrà la molecola Z. Se sono presenti entrambi ci saranno

entrambi i prodotti finali in proporzione alla presenza dei diversi enzimi

Vie metaboliche

Cinetica enzimatica La velocità di una reazione catalizzata da un enzima

cresce con la concentrazione del substrato

Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che tanto più concentrato è il substrato

tanto più spesso una molecola di questo entra nel sito attivo

All’inizio la velocità

della reazione

aumenta rapidamente

con la concentrazione

del substrato.

In seguito

continuando ad

aggiungere substrato

si ottiene solo un

modesto incremento

Si arriva infine ad un

punto un cui continuando

ad aggiungere substrato

non si ottiene più alcun

aumento della velocità

della reazione

Saturazione dell’enzima

Concentrazione del substrato

vel

oci

tà

Date queste caratteristiche della cinetica enzimatica, quando il substrato è

presente in eccesso saranno la concentrazione dell’enzima e la sua affinità

con il substrato (in molti enzimi questa può essere variata) a determinare il

decorrere di una data reazione

Regolazione della funzione enzimatica

L’azione degli enzimi è regolata da una gran quantità i fattori legati

ai bisogni della cellula e alla disponibilità dei composti.

Ci sono essenzialmente due modi per regolare l’attività di una determinata via

metabolica

1) Si può controllare la produzione di un dato enzima aumentandola

o diminuendola tramite un’azione sui meccanismi di regolazione del

gene

1) Si può agire direttamente sulla funzionalità di un dato enzima

agendo su uno dei suoi siti attivi

X Enzima A Enzima B Enzima C

Z Enzima E

Si supponga ad esempio che ci sia un accumulo nella cellula della sostanza X

La sostanza X (o un suo metabolita) possono agire:

1) inibendo l’attività dell’enzima B

2) inibendo la sintesi dell’enzima B

3) aumentando la sintesi dell’enzima D

DNA

+

--

DNA --

Inibizione della attività di un enzima

Come può fare la sostanza X ad inibire un enzima che si trova a

monte del processo metabolico che la produce?

Ci sono essenzial-mente

due modi:

1) Inibizione competitiva

2) Inibizione non competitiva

L’inibitore competitivo occupa lo

stesso sito attivo che normalmente

occupa il substrato in tal modo

impedendo al substrato stesso di

accedervi. Normalmente gli inibitori

competitivi sono chimicamente affini

al substrato (ma non sempre) Enzima

Inibitore

competitivo

Substrato

L’inibitore non competitivo occupa un altro sito, chiamato sito allosterico

Enzima

Inibitore non

competitivo

Substrato

Enzima

Substrato

Sito allosterico

Quando il competitore si attacca al sito allosterico l’enzima modifica la sua

forma o la distribuzione delle sue cariche in modo tale che il substrato non si

combina più con il sito attivo

Molte tossine e veleni sono inibitori enzimatici (sia

competitivi che non)

Gli inibitori naturali (il cui scopo è regolare il metabolismo) si legano

reversibilmente ai siti dell’enzima. Al contrario veleni e tossine

spesso si legano irreversibilmente bloccando ogni ulteriore attività

enzimatica

Isozimi

Gli isozimi o isoenzimi sono forme leggermente diverse dello stesso

enzima (possono avere uno o più aminoacidi di differenza)

Uno dei vantaggi degli eterozigoti * è la presenza di isozimi

Si supponga ad esempio che l’enzima A1 funzioni in modo ottimale a 20 gradi

di temperatura mentre la forma A2 lavori meglio a 30 gradi

Gli individui che possiedono

A1 saranno favoriti a 20 gradi

mentre quelli che hanno A2

saranno favoriti a 30 gradi

Gli individui hanno una

mistura di A1 e A2

potranno vivere in un

ambito di temperature più

ampio

* Ogni individuo possiede due copie dello stesso gene che possono

essere identiche (omozigoti) o diverse tra loro (eterozigoti)

Cellulosa + Ossigeno Acqua + Anidride carbonica

Combustione

Glucosio + Ossigeno Acqua + Anidride carbonica

Respirazione cellulare

ENERGIA (calore)

ENERGIA (ATP)

C6H12O2 + 6 O2

6 H2O + 6 CO2

32 molecole di ATP

Le cellule ottengono energia dalla reazione del glucosio con l’ossigeno

attraverso molti passaggi metabolici che avvengono nei mitocondri

C6H12O2 + 6O2 6H2O + 6CO2

Respirazione di animali e piante

ATP per i processi cellulari

C6H12O2 + 6O2 6H2O + 6CO2

Energia solare

Fotosintesi clorofilliana