Scarica chimica e biochimica infermieristica e più Appunti in PDF di Chimica solo su Docsity! CHIMICA E BIOCHIMICA L’unità di materia è l’atomo. L’atomo ha dimensioni molto piccole, se sono comparate a quanto i nostri sensi esperimentano ogni giorno. Al centro dell’atomo c’è il nucleo e intorno ci sarebbe una regione di spazio sferica dove gli elettroni ruotano. Un atomo ha un diametro di circa 10-10 m. Il nucleo è 100.000 volte più piccolo di tutto l’atomo. I componenti fondamentali del nucleo sono protoni e neutroni (fanno massa); gli elettroni sono 2000 volte più piccoli di protoni e neutroni e ruotano intorno all’atomo (non fanno massa). L’elettrone ha una carica convenzionale -1 con massa atomica assoluta (al riferimento di 1/12 dell’ atomo di carbonio 12) di 9,109x10-20 g ed un unità di massa atomica di 0,0005486; il protone ha una carica convenzionale +1, una massa atomica assoluta di 1,6726 x 10-24, e un’unità di massa relativa è 1,007276; un neutrone ha carica convenzionale 0, massa atomica assoluta di 1,6750 x10-24 e un’unità di massa atomica di 1,008665. La maggior parte della massa è nel nucleo, il peso di un 1 cm^3 di massa nucleare è di 2,5 x 108 (250 tonnellate). In un corpo umano di 70 kg ci sono 7,2 x 1027 atomi. Per identificare un atomo c’è un numero atomico (Z) che consiste nel numero di protoni presenti nel nucleo ed è uguale al numero degli elettroni presenti nell’atomo e il numero di massa, ossia la somma dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo. Il corpo umano è costituito dal 65% da ossigeno, 18% di carbonio, 10% di idrogeno e 3% di azoto, inoltre sono presenti in percentuali minori altri elementi, quali calcio, fosforo, zolfo, potassio, cloro, sodio, magnesio e ferro; questi ultimi sono detti oligoelementi, ed essi anche se sono presenti in tracce sono vitali. L’unità di misura di riferimento è il metro, ma per studiare gli atomi l’unità di misura che si usa e l’angstrom (pronuncia: ongstrom), ossia 10-10. Gli elettroni degli atomi mano a mano che aumenta il numero dei protoni nel nucleo, si organizzano in spazi non solo sferici e concentrici, ma si organizzano dove trovano spazio. Nel nucleo c’è tutta l’attività nucleare e tutto ciò che c ‘è all’esterno del nucleo compie un’attività elettronica, gli elettroni interagiscono con gli elettroni di altri atomi, formando legami tra diversi atomi. RADIOATTIVITA’ Un nucleo è instabile quando il rapporto carica/massa non è ottimale; in questa condizione si ha radioattività. L’emissione spontanea di radiazioni tende a diminuire l’instabilità energetica nucleare. La radioattività può essere naturale (isotopo radioattivo) o indotta artificialmente dall’uomo (reattori, acceleratori ecc..). Quasi ogni elemento ha un isotopo: ossia un atomo di uno stesso elemento chimico (che ha quindi la stessa posizione nella tavola periodica) quindi con lo stesso numero atomico (protoni) Z, ma con differenza numero di massa A (neutroni). Esistono isotopi freddi (non radioattivi) e caldi (radioattivi), ad esempio l’idrogeno è freddo, mentre il deuterio (con 2 di massa atomica) e il tritio (letto trizio, con 3 di massa atomica) sono caldi. Lo iodio (53 numero atomico e 127 massa atomica) è freddo, ha diversi isotopi caldi (tra cui uno con 123 e uno con 131). Un nucleo radioattivo emette radiazioni sotto forma di onda elettromagnetica o sotto forma di particelle. Ci sono diversi tipi di radiazione: emissione β-, ossia dei fasci di elettroni di origine nucleare, che nascono dalla scissione di un neutrone in protone più elettrone; emissione β+, ossia dei fasci di positroni, che hanno la stessa massa degli elettroni ma carica positiva, in questo caso da un protone nascono un neutrone e un positrone; emissioni alfa, che sono le emissioni più pesanti e più cariche, sono del fasci di nuclei di elio (che ha numero di massa 4 e numero atomico 2), ed essendo semplici nuclei di elio, quest’ultimo ha perso gli elettroni, acquistando carica positiva +2, vengono liberate da un nucleo con molta massa; l’emissione gamma consiste in onde elettromagnetiche pure e semplici, ossia in energia. Per capire che tipo di radiazioni un isotopo caldo emette si mette una pallina di materiale radioattivo all’interno di una lastra di piombo, dove viene fatto un foro dal quale escono le radiazioni, poi vengono posti a distanza ravvicinata due elettrodi con una differenza di potenziale (uno carico positivamente e uno negativamente); se le radiazioni saranno raggi gamma andranno dritte, se sono raggi beta + subiranno una deviazione verso l’elettrodo caricato negativamente e le beta più esattamente al contrario, in caso di particelle alfa (ricorda 2 4 2+) tenderanno a direzionarsi verso l’elettrodo carico negativamente me molto meno rispetto ai positroni, poiché la loro massa è assai elevata. Le radiazioni alfa non sono in grado di superare lo spessore di una mano umana, le radiazioni beta attraversano una mano ma si fermano su un foglio di alluminio, le radiazioni gamma passano attraverso una mano umana, attraverso un foglio di alluminio e persino attraverso un sottile strato di piombo, ma si fermano di fronte a uno strato di piombo più spesso, i neutroni invece si fermano solo quando incontrano uno spesso strato di cemento. Nonostante le radiazioni alfa non oltrepassano la pelle, lì dove le radiazione colpisce questa crea necrosi dei tessuti; se le radiazioni alfa vengono ingerite esse andranno a necrotizzare le mucose interne; ogni radiazione nel momento in cui attraversa una struttura biologica induce dei fenomeni di scombinamenti di massa e di carica dove colpisce. La medicina usa le radiazioni in due modi: radiodiagnostica, che serve per acquisire delle immagini del nostro corpo, o per fare analisi cliniche; radioterapia, ossia l’utilizzo a fini terapeutici della radioattività, ossia per andare ad uccidere delle cellule che il corpo non dovrebbe avere. In caso di radioterapia e radiodiagnostica, poiché le radiazioni entreranno nel corpo bisogna fare attenzione a quanto dura l’emissione delle radiazioni: il problema è stato affrontato sulla base del tempo di dimezzamento (T/2), ossia il tempo necessario affinché una data quantità di sostanza dimezzi la quantità di radiazioni emesse; ogni tempo di dimezzamento la radioattività e la concentrazione si dimezza fino a diventare insignificante. Ad esempio lo iodio 131 emette radiazioni B- e il sue T/2 è di 8 giorni e lo iodio 123 emette radiazioni gamma, ed ha un T/2 di 13,3 h. Ad esempio la tiroide ha bisogno di iodio per emettere degli ormoni, che è freddo ma ha le stesse proprietà chimiche di quello caldo, ma se comincia ad assumere iodio 123 può insorgere un tumore. Nel caso di radioterapia tramite l’uso di iodio 131, le radiazioni B- sono usate per attaccare ed uccidere le cellule tumorali. MOLECOLE E LEGAMI CHIMICI Ci sono legami tra molecole (intramolecolari) che si incaricano di strutturare le singole molecole e i legami intermolecolari, che permettono i legami tra due o più molecole per costruire elementi sempre più grandi. I primi sono strutturati da legami ionici e covalenti (omeopolari eteropolari e dativi), i secondi da forze di van der Waals, e legami idrogeno. Affinché si formi una molecola devono esserci due e più atomi che si avvicinino tra loro con una certa energia cinetica, affinché questi si possano urtare, e dall’urto si genera la molecola; il legame tra atomi avviene a spese degli elettroni più esterni, si genera quindi un guscio di valenza. Nell’urto possono succedere diverse cose: 1. un atomo A si urta ad un atomo B, a cui cede un elettrone, e si formano due ioni, uno positivo e uno negativo, così si attraggono elettrostaticamente formando un legame ionico, facendo nascere un'altra molecola (A + B = A+B-); 2.1. Nel caso in cui due atomi uguali si urtino tra loro (quindi la carica è la stessa), i due elettroni dei due atomi vengono messi a comune, ossia formano un doppietto elettronico, in cui la carica viene distribuita equamente nella molecola, questo è un legame covalente omeopolare (A + A A-:-A), molecole come queste sono le tipiche molecole biatomiche; 2.2. due molecole diverse si urtano e mettono a comune il doppietto elettronico, ma gli elettroni sono spostati più verso un atomo, quindi verso quest’atomo c’è più densità elettronica (A + B A--:B), esempio ne è l’acqua (legame eteropolare); 2.3. si forma sempre un legame covalente ma si urtano due atomi di cui uno ha un doppietto elettronico e l’altro è uno ione positivo, in questo caso il doppietto elettronico portato dal primo permette il legame allo ione (A: + B+ A:--B) esempi sono NH4+ o H3O+ (legame dativo). È importante da ricordare che in legami covalenti omeopolari ed eteropolari durante l’urto con gli altri atomi l’attitudine di ogni atomo a cedere, ad attrarre un elettrone (legame ionico), o a mettere in comune il doppietto di legame (legame covalente) può essere diversa. Dopo l’urto il legame si stabilizza grazie alla formazione di uno o più orbitali elettronici. Gli elettroni di legame appartengono a tutta la molecola, che ne risulta avvolta come una nube di densità elettronica. Per studiare l’osmosi in laboratorio viene posta al centro di un becher una membrana perm-selettiva, una membrana simile alle membrane biologiche che permette il passaggio di acqua in entrambe le direzioni mentre blocca il passaggio dei soluti, viene quindi posta una soluzione che a sinistra della membrana è maggiore rispetto alla destra; relativamente a sinistra c’è meno acqua rispetto a destra, perché a sinistra c’è più soluto rispetto a destra. Una volta posta l’acqua nel becher l’acqua più concentrata (dx) passa rapidamente a sinistra finché non arriva a un livello di pressione tale che tenderà ad equilibrare la velocità del flusso d’acqua in entrambe le direzioni; l’osmosi è pertanto il trasferimento di acqua dal compartimento dove l’acqua è più concentrata verso quello dov’è meno concentrata. Nei globuli rossi la quantità di particelle per l’unità di volume è identica a quella che c’è dentro, ossia la velocità con la quale l’acqua entra nella cellula è uguale a quella che esce; ci sono due casi patologici: uno in ambiente ipotonico, in cui la quantità di particelle all’esterno è meno concentrata della soluzione all’interno, quindi entra più acqua di quella che esce, ciò causa la rottura della membrana; in un ambiente ipertonico invece, dove quantità di particelle è più concentrata all’esterno, l’acqua esce più velocemente di quanto entra e il globulo rosso si raggrinzisce. Caso di osmosi si nota anche tra vasi e interstizi: c’è una membrana perm-selettiva tra i due e nel caso in cui gli ambienti di essi sono isotonici si ha una condizione normale, nel caso in cui l’ambiente del vaso è ipertonico rispetto a quello dell’interstizio (l’acqua fluisce nel vaso) si ha ipertensione, cioè aumenta la pressione del vaso, e nel caso in cui l’ambiente del vaso sia ipotonico (l’acqua esce dal vaso) rispetto a quello dell’interstizio, in cui l’esterno di gonfia, ossia si verifica un edema. ACIDI, BASI E LORO PROPRIETA’ In una reazione chimica bisogna tenere conto delle considerazioni termodinamiche, un problema di stabilità relativa dei reagenti e dei prodotti (ΔE), e considerazioni cinetiche, un problema di tempo da attendere cioè energia di attivazione (Ea). Per analizzare una reazione viene disegnato un grafico in cui l’ascissa corrisponde al tempo e l’ordinata l’energia dei reagenti; affinché i reagenti in reazione possano dare dei prodotti è necessario che sia raggiunta una certa energia, detta energia di attivazione; i prodotti hanno un livello energetico più basso dei reagenti, ciò perché la reazione possa procedere spontaneamente, e il dislivello che si viene a creare tra l’energia dei reagenti e quella dei prodotti è viene indicato con ΔE. Per rappresentare una reazione viene scritta una somma tra reagenti e una freccia per poi scrivere il risultato, nel caso in cui i prodotti hanno una possibilità di tornare reagenti la reazione viene indicata con due frecce (reazione reversibile), nel caso opposto con una sola (reazione irreversibile); la freccia verso destra è indicata come on o reazione diretta, la freccia verso sinistra è indicata come off, o reazione inversa. Quando si raggiunge un equilibrio tra il tempo della reazione diretta e il tempo della reazione inversa, si stabilisce un rapporto costante tra prodotti e reagenti ed è indicato come costante di equilibrio Keq; tanto più è grande la costante di equilibrio tanto sarà grande il rapporto tra numeratore e denominatore, e tanto più l’equilibrio di questa reazione favorirà i prodotti rispetto ai reagenti. Un acido è una sostanza che può donare protoni, pertanto tutti gli acidi hanno un H che po’ diventare uno ione positivo, che può essere donato (esempi HCL, HNO3, CH3-CHOH-COOH (acido lattico), H2SO3), si dividono in acidi forti e acidi deboli, in base alla loro tendenza a donare protoni. Una base è una sostanza che può accettare protoni (esempi NaOH, KOH, Ca(OH)2, NH3), si dividono in basi forti e basi deboli in base alla tendenza ad accettare protoni. Si parla di protonazione quando si accetta un protone e di deprotonazione quando si dona un protone. Acidi e basi forti nell’acqua sono elettroliti forti e compiono reazione irreversibili, quelle in cui i prodotti sono molto più stabili dei reagenti. In un acido i prodotti sono con un H+ + le altre sostanze caricate negativamente, in una base i prodotti avranno il gruppo con l’H caricato negativamente e le altre sostanze positivamente. In una reazione acido-base (HCL + NaOH H20 + NaCl) avviene una neutralizzazione, ossia avviene la formazione di acqua; anche in questo tipo di reazione i prodotti sono più stabili dei reagenti. L’acqua può comportarsi sia da acido che da base: il protone H+ può staccarsi dall’acqua, rendendola OH-, in condizioni normali l’acqua esiste in equilibrio con H+ e OH- (H2O H+ + OH-); l’acqua si comporta come base nel caso in cui ci siano due molecole d’acqua attaccate e uno ione H+ (2H2O + H+ H3O+ (ione idronio) + OH-), il quale aderisce a uno dei due doppietti elettronici liberi, la reazione è reversibile. Un acido è tanto più forte quanto più è elevata la sua capacità di donare H+; gli acidi forti donano irreversibilmente gli H+ (HCl + H2O Cl- + H+·H2O), gli acidi deboli li donano reversibilmente (CH3COOH + H2O CH3COO- + H+·H2O). Per la base il concetto è analogo, più essa è forte più è elevata la capacità di accettare H+ (di solito) dall’acqua, lo ione OH- accetta irreversibilmente H+ dall’acqua, lo ione acetato (CH3COO-) reversibilmente H+ dall’ acqua. La valutazione dei H+ liberi in una soluzione è la misura diretta della sua acidità; più è elevata la concentrazione di H+ più è acida la soluzione, più è bassa più è basica. I valori di concentrazione nei liquidi biologici (sangue, cellule, tessuti ecc..) sono numeri molto piccoli, tanto che piccole variazioni producono effetti notevoli. Per comodità di misura sia usa l’operatore p, che indica il cologaritmo (log1/x) in base 10 di un parametri (x) ad esempio H+ (pH); ad esempio l’acqua pura (distillata): H+= 1 x 10-7 M(moli), cioè 0, 0000001 (scomodo), il cologaritmo log1/10-7 = log107, pH = 7,0, (neutro); il sangue ha un pH di 7,35 (leggermente basico). Più è basso il pH più aumenta la concentrazione di H+ (acido), più è alto più la soluzione diventa basica (H+ diminuisce). Il valore di pH del sangue viene mantenuto costante dall’omeostasi, quando il pH è inferiore a 7,35 si parla di acidosi, quando è superiore a 7,45 si parla di alcalosi. Per misurare i protoni H+ nel sangue ci sono delle misure elettrochimiche, usate in laboratorio, durante la rianimazione o durante l’anestesia, e delle misure colorimetriche, di uso più comune. Sia le reazioni di scambio protonico, che quelle di scambio elettronico (redox), sono di importanza vitale; le reazioni di scambio protonico sono tenute sotto controllo da sistemi molecolari detti sistemi tampone: esse hanno la funzione di attutire gli urti di acidità e basicità. I tamponi sono molecole in grado di rilasciare o di legare ioni H+, così facendo minimizzano le variazioni di pH. Nel sangue i tamponi sono il bicarbonato, il fosfato ed alcune proteine, ognuno dei quali controlla una certa variazione di pH, ma tutti quanti agiscono istantaneamente; inoltre il pH è controllato da determinati organi, quali cute, intestino, reni e polmoni. Molte reazioni di interesse biologico avvengono in modo ottimale a pH fisiologico (7); quindi il controllo dell’ambiente in cui si svolge una reazione è di fondamentale importanza. In acqua distillata (pH=7) il pH varia di molte unità anche per piccole aggiunte di acidi o basi forti. Si definisce soluzione tampone una soluzione il cui pH non subisce variazioni apprezzabili, anche per aggiunte significative di acidi o di basi forti. Esse sono formate da coppie coniugate acido-base, costituite da: 1 soluzione di un acido debole più il suo sale con una base forte o 2 soluzione di una base debole più il tuo sale con un acido forte. LA CHIMICA DEL CARBONIO Il carbonio è un atomo piccolo (N6 e Z12), ha un diametro di circa 0,77 A(angstrom), ha 6 elettroni. Allo stato basale è molto denso e allo stato eccitato si presenta in forma più rarefatta. È infatti molto versatile da un punto di vista reattivo (può far parte di molte molecole diverse) ed ha una stereochimica ricca, ossia la possibilità che intorno ad esso possano costruirsi tanti composti diversi. Esistono delle categorie per rappresentare i composti del carbonio: tetraedrico, dove nel centro del solido c’è l’atomo di carbonio, trigonale piano, al cui centro si trova il carbonio, o lineare dove il carbonio lega da una parte e dall’altra atomi o gruppi di atomi diversi. Esistono atomi di carbonio saturi o insaturi di idrogeno: i primi hanno quattro legami semplici (o legami sigma), tutti con l’idrogeno (sp3), i secondi consistono in due strutture trigonali piane dove ogni carbonio ha due legami semplici con due atomi di idrogeno e un legame doppio (o legame pigreco) con l’altro atomo di carbonio (entrambi mettono in comune una sola valenza) (sp2); esistono anche carboni insaturi lineari con un legame triplo tra carboni e un legame semplice (ognuno) con l’idrogeno (sp). In ogni caso c’è la possibilità di rottura del doppio o triplo legame per poi formare un carbonio saturo. Le strutture molecolari vengono rappresentate in tre modi: formula molecolare, per definire quali e quanti atomi ci sono in una molecola (es C5H12), formula di struttura, che esplicita o schematizza (studiare come sono fatte) la formula molecolare, indicando lo sviluppo dei legami covalenti, infine formula tridimensionale, ossia la disposizione spaziale, la lunghezza del legame e gli angoli di legame degli atomi, ciò permette di identificare isomeri, ossia atomi che hanno una formula molecolare identica ma una distribuzione nello spazio diversa; gli isomeri sono strutturali, cioè con la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura o stereoisomeri, ossia che hanno la stessa formula di struttura ma diversa disposizione nello spazio dei legami e/o degli atomi-gruppi legati; la stereoisomeria è conformazionale, geometrica, o ottica. L’isomeria geometrica riguarda strutture semplici: ad esempio nel 2-butene (struttura sp2) gli atomi di carbonio fanno parte di una struttura trigona planare, nel momento in cui si stabilisce un legame carbonio- carbonio si impedisce di ruotare intorno alla congiungente carbonio-carbonio, ossia tutta la molecola ruota come un pezzo solo, quindi se la molecola di CH3 (da un vertice del butene) deve essere spostata (ad un altro) è necessario dare energia per rompere il legame pigreco lasciando solo il legame sigma, così che ciò che sta a destra ruota, per poi riformarsi il doppio legame una volta che la rotazione sia completa, esistono così due forme del 2-butene, una condizione di riposo detta cis-2-butene in cui i sostituenti metilici (CH3) si trovano dalla stessa parte e una condizione in cui è stata fornita energia detta trans-2-butene dove i due CH3 si trovano da parti opposte. Questo tipo di isomeria, detto cis-trans, si trova anche nelle membrane biologiche. L’isomeria ottica riguarda strutture del carbonio dove esso ha legami semplici: ad esempio l’acido lattico può essere acido D (+) lattico o acido L (-) lattico ed essi differiscono per la posizione dell’ossidrile (OH) e quindi per la reazione che hanno con l’enzima LDH (lattico-deidrogenasi); l’isomeria ottica si origina quando una struttura molecolare contiene al centro un carbonio detto chirale (centro di asimmetria o centro chirale) che presenta sempre una struttura tetraedrica (ibrido sp3), 4 legami semplici e 4 sostituenti diversi, l’acido lattico presenta queste caratteristiche e contiene quindi un centro chirale; la proprietà di un sistema chirale consiste nel fatto che l’immagine speculare della molecola è sovrapponibile alla molecola stessa. Ed è il caso dell’acido lattico. GRUPPI FUNZIONALI La sostituzione nella molecole di un idrocarburo di uno o più atomi di idrogeno con altri atomi o gruppi atomici fa sì che la nuova struttura abbia caratteristiche chimiche differenti da quella originale. Questi sostituenti conferiscono alle molecole una reattività caratteristica, per questo vengono detti gruppi funzionali. Da qui nascono famiglie di composti organici con differenti caratteristiche. Gli alcani sono idrocarburi contenenti esclusivamente legami semplici sigma carbonio-carbonio. Gli alcheni sono idrocarburi che contengono almeno un doppio legame carbonio-carbonio. I nomi degli alcheni si ottengono per sostituzione della desinenza ano dell’ alcano di origine con la desinenza –ene. Gli alchini contengono almeno un triplo legame, e i loro nomi si ottengono per sostituzione della desinenza – ano dell’alcano di origine con la desinenza -ino. Gli idrocarburi aromatici hanno delle caratteristiche peculiari: sono ciclici; in essi il rapporto H/C è basso, indicando un elevato livello di insaturazione; sono insolubili in acqua; alcuni di essi hanno odore caratteristico e per questo sono detti aromatici. Due monosaccaridi uniti da un ponte ossigeno formano un disaccaride; esempio ne sono il maltosio, formato da α-glucosio più β-glucosio, il lattosio, formato da β –galattosio più α-glucosio, il saccarosio, formato da α- glucosio più β-fruttosio; il primo viene digerito dall’enzima idrolitico maltasi, il secondo dall’enzima idrolitico lattasi e il terzo dall’enzima idrolitico saccarasi (un enzima idrolitico è in grado di rompere il legame etere (o ponte ossigeno), riportando il disaccaride alle due molecole costitutive). Avendo nel proprio organismo un enzima specifico si digerisce (si rompe il legame) il disaccaride, se non si ha si hanno dei problemi: ad esempio nel caso dell’intolleranza al lattosio, caso in cui non si ha l’enzima lattasi; si hanno delle crisi di diarrea, ma una diarrea osmotico, il lattosio non potendo essere digerito all’interno del lume intestinale diventa una particella che richiama acqua dentro l’intestino e si ha una crisi di diarrea. Gli amminoacidi sono molecole che sono incentrate su un carbonio, detto carbonio α; questo deve sempre essere presente in un amminoacido, perché intorno ad esso si costruisce la molecola, la quale deve avere due funzioni: una aminica NH2 e una carbossilica COOH. Il carbonio α ha sempre legato un idrogeno detto anche questo idrogeno α; avendo 4 legami semplici il carbonio α è un carbonio tetraedrico (sp3); avrà un residuo (R) che viene definito catena laterale degli amminoacidi. Un amminoacido in soluzione acquosa è sempre in equilibrio con la sua forma deprotonata e riprotonata: il gruppo carbossilico acido tende a cedere un protone (diventando COO-) , che verrà acquisito dal gruppo aminico basico (diventando NH3+). Gli amminoacidi sono presenti in tutte le proteine; in R possono essere presenti catene laterali idrofobiche (leucina, isoleucina, valina), idrofiliche (lisina, acido glutammico), o catene laterali intermedie (glicina, tirosina). Le proteine sono formate da un numero di unità che varia dai 102 a 105 amminoacidi, ma sono composte da catene di peptidi (pochi amminoacidi), o polipeptidi (molti amminoacidi), ossia dei polimeri di amminoacidi (hanno tra le 2 e le 20 unità) legati tra loro covalentemente. Le proteine hanno 4 livelli di strutturazione: struttura primaria, ossia una sequenza lineare di amminoacidi, struttura secondaria, ossia l’avvolgimento in eliche, foglietti ecc…, struttura terziaria, cioè un ulteriore avvolgimento in “gomitoli”, struttura quaternaria, ossia l’assemblaggio di più “gomitoli”. LIPIDI Nel sangue umano vi sono diverse vescicole lipidiche e sono di tre categorie: VLDL (very low density lipoproteins), LDL (low density lipoproteins) e HDL (high density lipoproteins). Meno dense sono le lipoproteine tanto più sono ricche di colesterolo e trigliceridi, più sono dense più il contenuto proteico rispetto a quello lipidico tende a salire. La famiglia dei lipidi è vasta ed eterogenea, e i lipidi possono essere classificati da diversi punti di vista, basandosi su: la loro reattività, cioè se possono essere neutralizzati e formare saponi, ci sono pertanto lipidi saponificabili e lipidi non saponificabili; il tipo di struttura, scomponendoli in molecole sempre più elementari. Esistono pertanto: steroli (colesterolo semplice ed esterificato con acidi grassi), gliceridi (mono, di e tri) e loro derivati (acidi grassi e glicerolo), fosfolipidi e loro derivati (acidi grassi, glicerolo, acido fosforico e glicidi) e vitamine liposolubili (A,D,E,K). Gli acidi grassi sono componenti molto comuni; un acido grasso è costituito da una lunga catena idrocarboniosa (idrofobica) con un gruppo metilico terminale ad un’estremità ed un gruppo carbossilico acido (idrofilico) all’altra estremità; è acido per il gruppo carbossilico acido ed è grasso perché la catena idrocarboniosa conferisce ad esso proprietà idrofobiche. Gli acidi grassi sottostanno a due importanti reazioni; la prima è l’esterificazione del gruppo carbossilico acido: esso (R-COOH) può reagire con un ossidrile alcolico (esempio R’-OH) e formare un ponte ossigeno tra R ed R’ mediato da COO (un carbonile), si forma così un ponte estere tra le due molecole di origine, cioè l’acido e l’alcool; questa reazione da quindi estere, più acqua (H2O). Questa reazione forma trigliceridi, fosfolipidi e membrane biologiche. La seconda reazione è la neutralizzazione: è una reazione tra un acido grasso (R-COOH), con una base (esempio Na- OH), in cui si forma ad esempio sale di sodio (R-COO-Na+) e acqua (H2O); la peculiarità di questo sale di sodio è il fatto che ha le proprietà dei saponi. Gli acidi grassi possono essere saturi, ossia senza doppi legami (sp3), o insaturi, che presentano doppi legami (uno o più); gli acidi grassi possono avere funzioni energetiche (trigliceridi) o strutturali (fosfolipidi, sfingomielina). La solubilità in ogni grasso è diversa: tanto più la catena idrocarboniosa è lunga, tanto maggiore è la componente idrofobica nell’acido grasso, pertanto sarà maggiore la solubilità in solventi organici; tanto è più corta la componente idrofobica tanto più l’acido grasso è idrofilico e solubile in acqua. Gli acidi grassi saturi possono essere classificati in base alla lunghezza della catena carboniosa: gli acidi grassi a catena corta hanno dai 4 agli 8 atomi di carbonio, gli acidi grassi a catena media ne hanno dagli 8 ai 14 e gli acidi grassi a catena lunga ne hanno dai 16 a 24. Per indicare i legami in un acido grasso viene scritto il nome e tra parentesi due numeri ai lati di due punti, il numero a sinistra indica gli atomi di carbonio presenti e il numero a destra il numero di doppi legami (esempio acido miristico (14:0), che è un acido grasso saturo a catena mediolunga, perché ha 14 atomi di carbonio e nessun doppio legame). Nel caso in cui l’acido grasso sia insaturo e sono presenti doppi legami si indica prima dei due punti il numero degli atomi di carbonio, dopo il numero di doppi legami e dopo delta e la posizione in cui si trova il doppio legame (esempio l’acido trans-oleico è indicato con C18:1 Δ 9:10, dove 9:10 sta a indicare che il doppio legame di trova tra il 9 e il 10 atomo di carbonio). Gli acidi grassi saturi in natura da 4 (C4:0) molecole di carbonio a 12 (C12:0) sono quasi tutti presenti nel latte e tutti nell’olio di cocco; dalle 14 in su sono presenti negli oli e nei grassi animali e vegetali. Gli acidi grassi insaturi hanno una struttura diversa in base al numero di doppi legami: più doppi legami ci sono più la struttura dell’acido grasso tenderà a piegarsi. Gli acidi grassi contribuiscono alla formazione dei fosfolipidi: essi a coppie costituiscono la regione apolare del fosfolipide che è collegata mediante due legami esteri al glicerolo, il quale con un legame fosfoestere (sempre con il ponte ossigeno) si lega ad un acido fosforico facendo da ponte tra la zona apolare costituita dagli acidi grassi e la zona polare che gli sta sopra, l’acido fosforico di lega così sempre tramite un legame estere ad una testa polare (un glicide). Da qui si nota che tutti i fosfolipidi hanno una testa polare e una catena idrocarboniosa; i legami che strutturano i fosfolipidi sono legami estere, o estere tra glicerolo e acidi grassi o estere tra glicerolo e gruppo fosfato. I fosfolipidi costituiscono le membrane: se queste sono composte da fosfolipidi saturi sono molto rigide e impenetrabili a proteine di membrana, se queste sono composte da fosfolipidi insaturi risultano più fluide, facilitando così l’inserimento di proteine di membrana (come nelle nostre membrane). Importanti sono gli acidi grassi di tipo omega (omega 3 ed omega 6): essi sono fondamentali nella dieta perché abbassano il colesterolo e i trigliceridi nel sangue. Hanno un gruppo carbossilico (testa) e un gruppo metilico (coda), negli omega 6 c’è un primo doppio legame sul 6 atomo di carbonio (partendo dalla coda), negli omega 3 ce n’è un primo sul 3 atomo. Nelle membrane spesso è possibile trovare delle molecole di colesterolo tra i fosfolipidi, che anch’esso ha una parte idrofobica e una idrofilica, posizionandosi come i fosfolipidi: le zone idrofobiche verso l’interno e le zone idrofiliche verso la parte acquosa all’esterno. Il colesterolo nelle membrane serve a rendere leggermente più rigida una membrana che altrimenti sarebbe poco utile per il suo scopo. ACIDI NUCLEICI (RNA E DNA) Si trovano in tutti gli organismi nucleici e si occupano di trasferire l’informazione genetica da organismo ad organismo e di permettere agli organismi stessi di produrre tutto il corredo macromolecolare che serve alle cellule per sopravvivere. Il DNA contiene l’informazione genetica necessaria per la riproduzione genetica della cellula stessa e necessaria per poter costruire le proteine. Si trova nel nucleo cellulare. L’informazione si trasferisce dal nucleo a citoplasma, dove c’è il macchinario molecolare che serve a sintetizzare proteine. L’RNA entra nel macchinario cellulare molecolare: trasferisce l’informazione dal nucleo al citoplasma e seleziona ed unisce gli amminoacidi nella sequenza (primaria) corretta. La sintesi delle proteine: il DNA trasferisce le informazioni attraverso un RNA messaggero, il quale porta il messaggio dal nucleo al citoplasma, trasferendolo all’RNA transfer, che permette l’assemblaggio degli amminoacidi in proteine. Il DNA assume una forma a doppia elica, avvolte l’una sull’altra (una va verso l’alto e una va verso il basso); sono unite per mezzo delle basi del DNA, adenina, timina, citosina e guanina, nel momento in cui si formano gli accoppiamenti tra le due eliche, si formano accoppiamenti tra basi complementari con legami idrogeno, ossia citosina si accoppia sempre con guanina e adenina sempre con timina; infatti la struttura delle basi è fatta in modo tale che gli appaiamenti siano solo quelli menzionati. Due sequenze complementari (di basi) si sviluppano in direzione opposta grazie a legami fosfo-diesterici che collegano tra loro gli scalini della struttura a doppia elica. Le basi degli acidi nucleici sono adenina, citosina, guanina, timina e uracile; la timina è presente solo nel DNA e l’uracile solo nell’RNA. Queste due differiscono per il gruppo metilico nella posizione 5 che si trova nella timina e non nell’uracile. Lo zucchero degli agli acidi nucleici è uno zucchero pentoso, desossiribosio nel DNA e ribosio nell’RNA. Infine c’è un gruppo fosfato, ossia l’acido ortofosforico (H3PO4), che fa da collante tra i diversi scalini del DNA, collegando il carbonio 3 di una molecola sotto con il carbonio 5 di quella sopra. Un singolo scalino è costituito per metà da un’elica e per metà dall’altra. I due semiscalini sono detti nucleotidi: un nucleotide è costituito da una base, dallo zucchero (desossiribosio) legato con un ponte estere con un gruppo fosfato. Il legame tra base e zucchero è un legame N-glicosidico (N sta per azoto), e il legame tra gruppo fosfato e zucchero è un legame estere, perché avviene tra un ossidrile alcolico del gruppo fosfato e il carbonio 5 dello zucchero. Qualora un nucleotide venga degradato e quindi privato del gruppo fosfato esso diventa un nucleoside. L’RNA è differente dal DNA perché è costituito da una singola elica. perché uracile c’è al posto di adenina e perché al posto del desossiribosio c’è il ribosio, che differisce dal primo perché nel carbonio 2 c’è un OH al posto di H. METABOLISMO CELLULARE: METABOLISMI INTEGRATI E SINTESI DELL’ATP Per metaboloma umano si intende la mappa generale dei processi del metabolismo umano, esso include 2500 metaboliti (prodotto di una reazione enzimatica e il substrato della successiva), 1200 principi attivi (molecole introdotte, come farmaci o vitamine) e 3500 componenti di origine alimentare. Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula e quindi in un organismo. Le reazioni chimiche comportano trasformazioni energetiche, se si libera energia la reazione è esoergonica, se viene assorbita energia le reazione è endoergonica. Nel nostro corpo c’è un continuo scambio di reazioni endoergoniche e esoergoniche. Il metabolismo comprende fenomeni anabolici, ossia reazioni che servono a sintetizzare molecole, endoergoniche, e fenomeni catabolici, ossia reazioni di demolizione di molecole, esoergoniche. I temi centrali del metabolismo cellulare sono: l’adenosintrifosfato (ATP) è il trasportatore universale di energia chimica; l’ATP è generato nelle cellule, durante la degradazione ossidativa (catabolismo) di sostanze a contenuto energetico, come glucosio, acidi grassi e aminoacidi; le biomolecole complesse sono costruite assemblando fra loro composti più elementari; i percorsi metabolici di sintesi (anabolici) e di degradazione (catabolici) sono fra loro distinti. L’ATP è formato da: un’adenina è legata con un legame N-glicosidico al ribosio il cui carbonio 5 è legato con un legame estere al primo gruppo fosfato (diventando adenosinmonofosfato o AMP), il quale, tramite un legame ad alto contenuto energetico, può legare un altro fosfato (diventando ADP) che a sua volta può