CHIMICA ORGANICA e BIOCHIMICA, Dispense di Chimica

Scarica CHIMICA ORGANICA e BIOCHIMICA e più Dispense in PDF di Chimica solo su Docsity! APPUNTI 5 SUPERIORE: CHIMICA ORGANICA E BIOCHIMICA LA CHIMICA ORGANICA La chimica organica, detta anche chimica del carbonio, studia le proprietà chimico-fisiche dei composti contenenti carbonio. Il termine “chimica organica” venne coniato dallo svedese Berzelius per indicare quel settore della chimica che si occupa dei composti del mondo vivente. In quel periodo i chimici non erano in grado di sintetizzare il materiale organico e una svolta si ebbe nel 1828, grazie a Friedrich Wohler che riuscì a ottenere l’urea (composto organico presente nelle urine animali) riscaldando il cianato di ammonio (reagente inorganico). Nella quotidianità molti sono gli oggetti caratterizzati da atomi di carbonio e ciò è dovuto alla sua elevata versatilità. Infatti il carbonio è in grado di formare legami sia con altri elementi della tavola periodica, sia con uno o più atomi del suo stesso tipo. Il carbonio è così versatile poiché ha un valore intermedio di elettronegatività. ORBITALI IBRIDI Il numero atomico del carbonio (numero di protoni) è Z = 6. La sua configurazione elettronica è: 1s22s22p2. - Dato che nella sua configurazione appaiono 4 posizioni vuote, il carbonio è tetravalente, ossia può formare 4 legami. Si creano degli orbitali ibridi, ossia una mescolanza degli orbitali s e orbitali p. ➔ IBRIDIZZAZIONE: combinazione di due o più orbitali dello stesso atomo che portano alla formazione di orbitali ibridi. Il carbonio ha 3 forme di ibridazione: ● IBRIDAZIONE sp3: L'orbitale s si combina con 3 orbitali p e quindi si creano 4 orbitali ibridi sp3. Gli orbitali hanno angolo di legame di 109,5° e una struttura tetraedrica. ● IBRIDAZIONE sp2: Si ha un orbitale s e 2 orbitali p, pertanto si formano 3 orbitali ibridi sp2. Gli orbitali si dispongono secondo una geometria trigonale planare (stesso piano) con angoli di 120°. ● IBRIDAZIONE sp: Si ha un solo orbitale s e uno p e si creano 2 orbitali ibridi sp. Gli orbitali sono disposti secondo una linea retta e hanno l’angolo di 180°. PROPRIETÀ DEL CARBONIO: ➢ valore medio di elettronegatività→ (E = 2,5) (tendenza ad attrarre a sé elettroni di legame); ➢ piccolo raggio atomico → (r = 77 pm) ha un minimo ingombro sterico, che permette di formare legami covalenti singoli, doppi e tripli; ➢ elevata auto-affinità → (capacità di formare legami sia con atomi uguali che con atomi differenti) dovuta alla mancanza di elettroni liberi e al suo piccolo raggio atomico. Grazie all'auto-affinità, è in grado di formare delle catene carboniose di lunghezza e complessità variabile che possono essere aperte, chiuse o ramificate. GLI ALCANI Gli alcani sono degli idrocarburi alifatici a catena aperta; sono composti saturi per la presenza di legami semplici carbonio-carbonio. Gli atomi di carbonio sono ibridati sp3; allo stato eccitato l’atomo di carbonio presenta la configurazione elettronica esterna 2s1 2p3. Legandosi a 4 atomi, si formano 4 orbitali ibridi sp3. Questi si orientano in direzione dei vertici di un tetraedro. La formula molecolare generale è: CnH2n+2 (n = numero di atomi del carbonio). L’alcano più semplice ha un atomo di carbonio ed è ilmetano: CH4. - Man mano che si aggiungono atomi di idrogeno e di carbonio si allunga la catena e la denominazione varia a seconda di questa aggiunta, però la desinenza finale è sempre -ano. Ad esempio i primi 4 sono metano, etano, propano e butano, mentre quelli che seguono hanno un prefisso numerico (pent-, es-, ept-). Gli alcani sono considerati paraffine, ossia sono poco reattivi. Le temperature di fusione e di ebollizione aumentano man mano mano che si allunga la catena, ossia all’aumentare del numero di atomi di carbonio: - i primi 4 sono GAS; - da C5 a C17 ci sono i LIQUIDI che sono meno densi dell’acqua e per questo galleggiano. Essi sono insolubili nell’acqua, ma solubili nei solventi apolari; - da C18 andando avanti ci sono i SOLIDI. LA NOMENCLATURA DEGLI ALCANI Per assegnare i nomi ai composti organici si utilizza la nomenclatura IUPAC. Nelle catene lineari, il nome si forma da una radice che indica il numero di atomi di carbonio della catena e dal suffisso -ano che identifica il composto come idrocarburo alifatico saturo. Nelle catene ramificate vi è l'assegnazione del nome sulla base della catena lineare più lunga. Se si elimina un atomo di idrogeno dall'alcano si ottiene un sostituente che termina in -ile, ad esempio il gruppo CH3, ottenuto dalla rimozione di un idrogeno dal metano, è chiamatometile. ● I sostituenti derivati dagli alcani per rimozione di un atomo di idrogeno sono chiamati gruppi (o radicali) alchilici e sono: CH3– metile CH3 CH2– etile CH3 CH2 CH2— n-propile CH3 — CH — ৷ CH3 iso-propile CH3 CH2 CH2 CH2– n-butile CH3 CH— CH2 — ৷ CH3 iso-butile CH3 — CH2 — CH — ৷ CH3 sec-butile CH3 ৷ CH3 — C — ৷ CH3 terz-butile Per l'attribuzione del nome ad un composto organico ci sono varie fasi: 1. si individua la catena carboniosa più lunga; 2. si numera la catena partendo dall’estremità che permette di utilizzare i numeri più piccoli per i sostituenti; 3. si scrive il nome dei radicali,preceduto dal numero della posizione a cui sono legati; 4. se i radicali sono diversi si scrivono in ordine alfabetico; 5. se lo stesso radicale è presente più volte scrivere , i numeri che ne indicano la posizione sono separati da una virgola e si utilizzano i prefissi (di-, tri-, tetra-, penta-) che si legano al nome del radicale; - Il trattino separa il numero del carbonio dal nome del radicale a cui è legato; - la virgola separa i numeri nel caso ci dovesse essere lo stesso radicale più volte. 6. terminare con il nome della catena principale. ISOMERIA CONFORMAZIONALE Negli alcani, i legami tra gli atomi di carbonio sono legami semplici per cui è possibile la rotazione di un atomo di carbonio (e degli atomi di idrogeno a esso legati) rispetto agli altri atomi di carbonio. Ne consegue che la molecola assume diverse disposizioni (conformazionali) spaziali. REAZIONI DEGLI ALCANI ➢ OSSIDAZIONE o COMBUSTIONE → La reazione di ossidazione è una reazione esotermica (che sviluppa calore), che avviene quando un alcano reagisce con l'ossigeno: si vengono a formare diossido di carbonio (l’anidride carbonica), acqua ed energia. Per far avvenire la combustione è necessario un innesco, ossia la temperatura del combustibile deve essere al di sopra della “temperatura di accensione”, ovvero la temperatura minima con la quale il combustibile brucerebbe spontaneamente. Per il metano la reazione è: CH4 + O2 —> CO2 + H2O (metano + ossigeno→ anidride carbonica + acqua) che bilanciata diventa CH4 + 2O2 —> CO2 + 2H2O Ci sono 2 tipi di combustione: ● COMBUSTIONE COMPLETA: vi è disponibilità di ossigeno e si sviluppa l'anidride carbonica (CO2); ● COMBUSTIONE INCOMPLETA: la reazione avviene in difetto di ossigeno e non si sviluppa il diossido di carbonio (CO2), ma il monossido di carbonio che è tossico e se inalato si lega all'emoglobina, formando la carbossiemoglobina. - I prodotti di reazione sono sempre l'acqua e l'anidride carbonica. ➢ ALOGENAZIONE → è il processo in cui l'alcano reagisce con un alogeno (7 gruppo); la maggior parte delle reazioni avviene con il cloro (Cl) e il bromo (Br), per questo si dice reazione di clorazione e reazione di bromurazione. ● L’alogenazione è una reazione di sostituzione radicalica dato che gli atomi di idrogeno vengono gradualmente sostituiti da quelli di alogeni. Infatti, nella reazione di alogenazione del metano CH4 con il cloro Cl2, un atomo di idrogeno del CH4 viene sostituito da un atomo di cloro e quello che si stacca si va a legare con l'altro atomo di cloro, formando l'acido cloridrico: CH4 + Cl2→ CH3Cl + HCl Per staccare l'atomo di idrogeno e far avvenire la reazione, c’è bisogno di condizioni drastiche: la presenza di calore (Δ) o di luce ultravioletta (hv) dato che gli alcani sono poco reattivi. La reazione avviene in 3 stadi: ➔ INIZIAZIONE: grazie alla luce (fotolisi) o al calore (termolisi) si ha la rottura omolitica del legame contenuto nel cloro (o nel bromo) e si formano 2 radicali del cloro: Cl2 → Cl・+ Cl・ ➔ PROPAGAZIONE: avviene in due fasi. Nella prima fase, l'atomo di cloro (molto reattivo) si stabilizza strappando un atomo di idrogeno da una molecola di metano. Si formano così un acido alogenidrico (l’acido cloridrico) e il radicale metilico (metil radicale). Cl・+ CH4→ H Cl + CH3・ Nella seconda fase, il radicale metilico (molto reattivo) reagisce con un’altra molecola Cl2, strappandole un atomo di cloro, e forma un alogenuro alchilico, il clorometano (o cloruro di metile) e un radicale cloro che continua a reagire, formando una catena radicalica. CH3・+ Cl2→ CH3Cl + Cl・ Si ha la ripetizione continua della prima fase e della seconda, finché gli atomi di idrogeno diminuiscono sempre più e il radicale cloro può reagire con il cloroformio, dando origine all’acido cloridrico e un altro radicale, che a sua volta reagisce con la molecola di cloro: Cl・+ CHCl3→ HCl + CCl3・ CCl3・+ Cl2→ CCl4 + Cl・ ➔ TERMINAZIONE: avviene quando aumenta la possibilità che due radicali si incontrino, formando un composto non radicalico. Cl・+ Cl・→ Cl2 (cloro) CH3・+ Cl・→ CH3Cl (clorometano) CH3・+ CH3・→ C2H6 (etano) ROTTURA OMOLITICA ED ETEROLITICA Tutte le reazioni normalmente avvengono tramite la scissione e la formazione di legami covalenti. Esistono due tipi di scissione: - OMOLISI: si ha quando due atomi uniti da un doppietto elettronico vengono scissi e ciascuno trattiene uno dei due elettroni di legame: si formano così radicali o radicali liberi, atomi o gruppi atomici aventi un elettrone spaiato; - ETEROLISI: si ha quando entrambi gli elettroni di legame vengono assunti da uno dei due atomi (di solito il più elettronegativo) dando luogo a 2 ioni, uno positivo e uno negativo. Le reazione eterolitiche coinvolgono sempre specie chimiche povere di elettroni (elettrofili) e ricche di elettroni (nucleofili). ● ELETTROFILI → specie chimiche con una parziale o totale carica positiva o con l’ottetto incompleto; ● NUCLEOFILI→ specie chimiche con una parziale o totale carica negativa o con un doppietto elettronico disponibile. ➢ GLI STEREOISOMERI Gli stereoisomeri sono composti con stessa formula molecolare, ma diversa disposizione spaziale. A seconda della disposizione degli atomi, ci sono vari tipi di stereoisomeri: ● ISOMERI CONFORMAZIONALI: Gli isomeri conformazionali (detti anche conformeri) differiscono per l’orientazione nello spazio di atomi o gruppi atomici che si possono interconvertire per rotazione intorno a un legame semplice (sigma), assumendo numerose disposizioni spaziali. ● ISOMERI CONFIGURAZIONALI: Gli isomeri configurazionali differiscono per l’orientazione nello spazio di atomi o gruppi atomici che non si possono interconvertire per rotazione intorno a un legame. Si dividono a loro volta in: ➔ ISOMERI GEOMETRICI: Gli isomeri geometrici sono due composti che differiscono per la disposizione spaziale di atomi o gruppi atomici legati a due atomi di carbonio uniti da un legame semplice (cicloalcani) o un doppio legame (alcheni). Può assumere una configurazione: -cis: se i gruppi atomici sono disposti dalla stessa parte; -trans: se sono disposti da parti opposte. ➔ ISOMERI OTTICI: Gli isomeri ottici (o enantiomeri) sono due molecole con diversa disposizione spaziale in cui una è l'immagine speculare dell'altra e non sono sovrapponibili. Una molecola esiste sotto forma di due enantiomeri se nella molecola è presente uno stereocentro ed è assente un piano di simmetria. Uno stereocentro (o carbonio asimmetrico) è un atomo di carbonio legato a 4 atomi o gruppi atomici diversi. Si indica con C*. Una molecola che non può essere sovrapposta alla propria immagine speculare è dettamolecola chirale: contiene uno stereocentro e non presenta un piano di simmetria. Quando invece nella molecola vi è la presenza di un piano di simmetria è possibile sovrapporre i due composti, si ha unamolecola achirale. - Esempio di molecola chirale: acido lattico (prodotto del catabolismo anaerobico del glucosio). CONFIGURAZIONI R ed S Per definire la disposizione spaziale della molecola ci sono delle regole (regole CIP) che permettono di attribuire una priorità agli atomi o ai gruppi legati a ciascuno stereocentro. A ogni stereocentro si attribuisce la configurazione assoluta che può essere: ➔ R: quando ruota verso destra, in senso orario. Ruota in base alla priorità dei gruppi, dal grado maggiore fino al grado minore (la priorità è legata al numero atomico). ➔ S: quando ruota verso sinistra, in senso antiorario. Passa dal composto con la priorità maggiore, fino a quello con il grado minore. Per assegnare le priorità, bisogna: - vedere chi possiede il numero atomico maggiore; - se lo stereocentro lega 2 atomi uguali, si confronta il numero atomico dell'atomo successivo per trovare una differenza; - se ci sono dei legami multipli, questi vengono considerati come se fossero legati a un numero equivalente di atomi dello stesso tipo. GLI ALCHENI Gli alcheni sono degli idrocarburi alifatici (a catena aperta) insaturi per la presenza di un doppio legame carbonio-carbonio con formula molecolare generale: CnH2n ( n= atomi di carbonio, ≥ 2) Negli alcheni, i due atomi di carbonio del doppio legame sono ibridizzati sp2; quando due atomi di carbonio ibridati sp2 si uniscono, si ha la sovrapposizione frontale di due orbitali ibridi sp2 di ciascun atomo e si forma così un legame σ, forte e stabile. Tra i due orbitali non ibridati p si ha una sovrapposizione laterale e la formazione di un legame π, debole e reattivo. Il doppio legame che si instaura tra due atomi di carbonio comporta che: - non si ha la libera rotazione intorno al doppio legame carbonio-carbonio, a differenza di quando si ha un legame semplice; - la presenza del legame π, più debole del legame σ rende la molecola più instabile e quindi più reattiva. LA NOMENCLATURA IUPAC Il nome è costituito dal prefisso corrispondente alla radice del nome degli alcani e dal suffisso -ene. Il primo idrocarburo della serie omologa degli alcheni è l’etene (o etilene). I primi 4 sono: o C2H4→ etene o C3H6→ propene o C4H8→ butene o C5H10→. pentene Per i primi tre si può usare anche il suffisso -ilene. ➢ I gruppi radicali alchenilici sono gruppi atomici con un atomo di idrogeno in meno rispetto all’alchene corrispondente. I più noti sono: - vinile, che deriva dall’etene (ha formula: –CH = CH2) - allile, che deriva dal propene (ha formula: –CH2 –CH = CH2) Per nominare la catena, si individua quella più lunga e si numera partendo dall’estremità più vicina al doppio legame; il doppio legame è preceduto dal numero di posizione. Nel caso in cui dovesse essere un sostituente, questo dev’essere messo per primo e in seguito si mettono numero di posizione e numero di catena. ISOMERIA DEGLI ALCHENI ➢ ISOMERIA DI POSIZIONE → Del terzo termine della serie (n = 4) si verifica, relativamente alla posizione del doppio legame, l’isomeria di posizione. Il nome dell’alchene è preceduto dal numero che indica la posizione del doppio legame; la numerazione inizia dall’estremità più vicina al doppio legame. Per l’esene (C6H12) esistono tre isomeri di posizione: ➢ ISOMERIA DI CATENA → Quando alla catena carboniosa sono legati dei sostituenti si verifica isomeria di catena. Per assegnare il nome si individua la catena carboniosa più lunga contenente il doppio legame e si numera la catena dall’estremità che permette di utilizzare il numero più piccolo per la posizione del doppio legame: ➢ ISOMERI GEOMETRICI → Quando entrambi gli atomi di carbonio del doppio legame sono legati a due atomi o due gruppi atomici diversi (alcheni disostituiti) si ha l’isomeria geometrica. I nomi dei due isomeri sono preceduti da cis- o trans- a seconda che i due sostituenti si trovino dalla stessa parte o da parte opposta rispetto al doppio legame. Gli isomeri geometrici del 2-butene sono: In questo caso, per la nomenclatura, si utilizzano le regole CIP : - Se i due sostituenti si trovano dalla stessa parte, si assegna la configurazione Z (zusammen, insieme); - se i due sostituenti si trovano da parti opposte, si assegna la configurazione E (entgegen, opposto). DIENI Tuttavia, spesso in natura si hanno alcheni con più di un doppio legame e nel caso di due doppi legami i composti sono definiti dieni e possono essere: ● cumulati → i due doppi legami sono adiacenti allo stesso atomo di carbonio, che forma due doppi legami con altri due atomi di carbonio e quindi è ibridato sp; CH2 = C = CH2 ● coniugati→ i due doppi legami sono separati da un legame semplice carbonio-carbonio; CH2 = CH - CH = CH2 ● isolati→ i due doppi legami sono separati da due o più legami semplici. CH2 = CH - CH - CH = CH2 La loro formula molecolare è: CnH2n-2 (dove n≥ 3). La nomenclatura IUPAC è costituita dai due numeri che indicano le posizioni dei doppi legami e dal prefisso corrispondente alla radice del nome degli alcani seguito dal suffisso -diene. LE PROPRIETÀ DEGLI ALCHENI Le proprietà fisiche degli alcheni sono simili a quelle degli alcani, rispetto ai quali presentano una densità un po’ più alta e un punto di ebollizione un po’ più basso. ● Gli alcheni sono insolubili nell'acqua, ma solubili nei solventi organici; ● Presentano punti di ebollizionemolto bassi; ● Da C2 a C4 sono gassosi, da C5 a C15 sono liquidi e da C15 in poi sono solidi. Le proprietà chimiche ,invece, sono molto diverse da quelle degli alcani. ● Gli alcheni sono più reattivi data la presenza del doppio legame tra i due atomi di carbonio sp2 (insaturi). Il legame π è più debole del legame σ e tende a rompersi con facilità. Le reazioni avvengono con rottura eterolitica del legame, in quanto il doppietto GLI ALCHINI Gli alchini sono degli idrocarburi alifatici a catena aperta, insaturi per la presenza di un triplo legame carbonio-carbonio. La formula generale è: CnH2n-2 ( n= atomi di carbonio, ≥ 2) I due atomi di carbonio del triplo legame sono ibridati sp. L’atomo di carbonio nello stato eccitato ha configurazione 2s1 2p3; quando si lega con altri due atomi, l’atomo di carbonio combina l’orbitale s con un orbitale p e si formano due orbitali ibridi sp. L’unione dei due atomi ibridati sp comporta la sovrapposizione frontale tra i due orbitali ibridi sp con formazione di un legame 𝞂 e la sovrapposizione laterale di quattro orbitali non ibridi p con formazione di due legami π , la cui presenza rende la molecola molto instabile e reattiva. ➢ NOMENCLATURA Il nome degli alchini con una catena lineare di atomi di carbonio, secondo le regole IUPAC, è costituito dal prefisso corrispondente alla radice del nome degli alcani e dal suffisso -ino. Il primo termine della serie (l’etino) è noto con il nome comune di acetilene. ➢ ISOMERIA ● Isomeria di posizione: Dal terzo termine della serie (n=4), si verifica l’isomeria di posizione. Il nome dell’alchino viene preceduto da un numero che indica la posizione del triplo legame, iniziando dall’estremità più vicina al triplo legame. ● Isomeria di catena: Si verifica quando alla catena carboniosa sono legati dei sostituenti. Bisogna identificare la catena carboniosa più lunga e numerarla dall’estremità che consente di utilizzare il numero più piccolo per gli atomi di carbonio del triplo legame. ➢ PROPRIETÀ FISICHE E CHIMICHE Mentre gli alcani sono paraffine (poco reattivi), gli alcheni hanno unamaggiore reattività dovuta al doppio legame e gli alchini possiedono un’elevata reattività. Essi sono costituiti damolecole apolari e insolubili in acqua. Gli alchini presentano un legame carbonio-idrogeno terminale debolmente polarizzato per la notevole forza d’attrazione che il carbonio ibridato sp esercita sugli elettroni di legame. Il triplo legame ha un’elevata densità elettronica. ➢ LE REAZIONI Gli alchini danno origine a reazioni di addizione in due stadi: 1. nel primo stadio si rompe uno dei due legami π con formazione di un doppio legame carbonio-carbonio; 2. nel secondo stadio si rompe il secondo legame π e si forma un legame semplice. ➢ REAZIONE DI IDROGENAZIONE La reazione di idrogenazione di un alchino avviene con idrogeno molecolare H2 in presenza di un catalizzatore metallico (Pd, Ni, Pt) e forma il corrispondente alcano: ➢ REAZIONE DI ADDIZIONE ELETTROFILA La reazione di addizione elettrofila avviene con alogeni (alogenazione), acidi alogenidrici (idroalogenazione) e acqua (idratazione). ● ALOGENAZIONE: consiste nell’aggiungere a un alchino una soluzione costituita da un alogeno (Cl2, Br2) in un solvente inerte (CCl4). L’addizione con una mole di alogeno porta alla formazione di un alchene disostituito con configurazione trans (parti opposte), mentre con due moli di alogeno forma un alcano tetrasostituito; ● IDROALOGENAZIONE: avviene tra un alchino (simmetrico o asimmetrico) e un acido alogenidrico (HCl o HBr). La reazione di un alchino asimmetrico con acidi alogenidrici segue la regola di Markovnikov, per cui l’idrogeno dell’acido alogenidrico si lega al carbonio del triplo legame con il maggior numero di atomi di idrogeno. L’addizione con una mole di acido alogenidrico forma un alchene monosostituito, mentre l’addizione con due moli di acido alogenidrico porta alla formazione di un alchene disostituito. ● IDRATAZIONE: Gli alchini reagiscono con l'acqua solo in determinate condizioni: ➔ si devono trovare in un ambiente acido; ➔ ci devono essere degli opportuni catalizzatori. La reazione di idratazione si realizza in presenza di un catalizzatore acido H+ e dello ione mercurio Hg2+, che forma un composto intermedio instabile, un alcol vinilico o enolo, che poi si interconverte in un composto carbonilico più stabile (un aldeide o un chetone). GLI IDROCARBURI AROMATICI Gli idrocarburi aromatici sono composti organici costituiti da uno o più anelli a sei atomi di carbonio. Sono distinti in: - monocicli, se costituiti da un anello; - policiclici, se costituiti da più anelli. Il termine “aromatico”, inizialmente attribuito per l’odore intenso di questi composti, raggruppa tutti i composti che possiedono proprietà chimiche simili a quelle del benzene, nonché elevata stabilità. Gli idrocarburi aromatici sono molecole apolari e insolubili in acqua, ma solubili nei solventi organici apolari. Presentano punti di ebollizione elevati. La loro formazione avviene nel corso di combustioni incomplete di combustibili fossili, legname, grassi, tabacco, incenso e prodotti organici in generale, quali i rifiuti urbani. Trovano impiego nella produzione di coloranti, plastiche, pesticidi e medicinali. ➢ BENZENE Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene, un composto con formula C6H6, con i sei atomi di carbonio disposti ai vertici di un esagono regolare planare. Infatti, presenta una struttura ciclica rappresentabile con un esagono. Il benzene è un composto apolare e insolubile in acqua, che, a temperatura ambiente, si presenta sotto forma di un liquido incolore e volatile. Esso è estremamente stabile e non dà reazioni di addizione con l’idrogeno e gli alogeni. Nel benzene gli atomi di carbonio sono ibridati sp2 e pertanto si hanno tre orbitali ibridi sp2 , che assumono una disposizione planare con angoli di 120 gradi, e un orbitale non ibrido p che si dispone perpendicolarmente al piano della molecola. I tre orbitali ibridi sp2 di ciascun atomo di carbonio formano tre legami covalenti σ, due con atomi di carbonio adiacenti e uno con un atomo di idrogeno. I sei orbitali non ibridi p si sovrappongono formando una nube elettronica sia sopra che sotto il piano dell’anello. Pertanto, i sei elettroni π sono delocalizzati su tutto l’anello, rendendo la molecola particolarmente stabile. ● REAZIONI DI SOSTITUZIONE ELETTROFILA Il benzene da reazioni di sostituzione elettrofila, in cui uno o più atomi di idrogeno dell’anello vengono sostituiti con altri atomi o gruppi atomici, in modo da mantenere l’aromaticità: 1. Un atomo o un gruppo atomico che si comporta da agente elettrofilo, in presenza di un catalizzatore, si lega a un atomo di carbonio dell’anello aromatico e si forma un carbocatione con la carica positiva delocalizzata in posizione -orto e -para, e la molecola perde l’aromaticità. 2. L’atomo di idrogeno legato al carbonio ibridato sp3 viene allontanato sotto forma di ione H+ e i due elettroni rientrano nell’anello, ricostituendo l’aromaticità e si ha la formazione di un derivato del benzene. Quando la reazione di sostituzione avviene su un benzene monosostituito, la reattività dipende dal sostituente. I sostituenti possono infatti essere: - attivanti: sono gruppi alchilici o gruppi atomici con un doppietto elettronico libero sull’atomo che è legato all’anello benzenico. Essi orientano il secondo sostituente verso le posizioni -orto e -para; - disattivanti: sono atomi di alogeni o gruppi atomici con una parziale o totale carica positiva sull’atomo, che è legato all’anello benzenico. Essi orientano il secondo sostituente verso la posizione -meta. LE BIOMOLECOLE La biochimica studia la struttura, l’organizzazione, la composizione e le funzioni delle biomolecole, nonché le molecole costituenti gli organismi viventi. ➢ Le biomolecole sono composti organici polifunzionali che formano la struttura delle cellule e svolgono un ruolo fondamentale nel metabolismo cellulare. Sono costituite da carbonio, idrogeno, ossigeno, zolfo e fosforo e si classificano in 4 categorie principali: - carboidrati, che svolgono funzioni energetiche e di riserva energetica; - lipidi, con funzione di riserva energetica, ma anche funzione strutturale; - proteine, che svolgono ruoli strutturali, catalitici e di regolazione; - acidi nucleici, che contengono le informazioni genetiche e sono responsabili della conservazione, trasmissione ed espressione dei caratteri ereditari. Inoltre importanti sono anche le vitamine, ossia dei sostituenti particolari, necessari per lo svolgimento di molte attività cellulari. Molte biomolecole, come carboidrati, proteine e acidi nucleici, sono biopolimeri costituiti dall’unione di un elevato numero di monomeri. I CARBOIDRATI ➢ I carboidrati o glucidi sono composti organici naturali costituiti generalmente da tre elementi: carbonio, idrogeno e ossigeno e la loro formula è: Cn(H2O)n. Sono composti polifunzionali, in quanto contengono un gruppo carbonile e più gruppi ossidrile, motivo per cui vengono definiti poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni. Sono le biomolecole più diffuse nella biosfera e hanno un’importanza biologica per il loro ruolo: ● energetico: glucosio e fruttosio ; ● di riserva energetica: l'amido nel mondo vegetale e il glicogeno in quello animale (sono polimeri del glucosio); ● strutturale: la cellulosa (polisaccaride del glucosio) è la biomolecola più abbondante sulla Terra e costituisce la parete delle cellule vegetali, mentre la chitina (polisaccaride resistente) è l'esoscheletro di insetti e crostacei. I carboidrati si classificano in base alla complessità della loro struttura in: ● monosaccaridi, costituiti da singole molecole; ● polisaccaridi, costituiti da molecole polimeriche (polimeri costituiti da monosaccaridi); ● disaccaridi, costituiti da 2 monosaccaridi; ● oligosaccaridi, costituiti da più monosaccaridi (da 3 a 20 unità). Queste classi di carboidrati sono in relazione tramite la reazione di condensazione (addizione tra due monosaccaridi con liberazione di una molecola d’acqua). Dal punto di vista nutrizionale, abbiamo: - carboidrati semplici: monosaccaridi e oligosaccaridi, detti zuccheri; - carboidrati complessi: polisaccaridi. I glicoconiugati I carboidrati possono essere associati anche a molecole di natura diversa, formando così molecole ibride dette glicoconiugati. Se la porzione glicidica dei glicoconiugati si unisce alle proteine si formano le glicoproteine, mentre unita ai lipidi dà origine ai glicolipidi. I MONOSACCARIDI ➢ I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici, composti da una catena carboniosa non ramificata, che comprende da 3 a 8 atomi di carbonio, legati da un legame sigma. La loro formula generale è CnH2nOn, dove n è un numero mai inferiore a 3 e non superiore a 6. Nella catena sono presenti diversi gruppi ossidrilici e un gruppo carbonilico. Se un gruppo carbonilico si trova all’estremità si tratta di un gruppo aldeidico e il monosaccaride viene chiamato aldoso, mentre se il carbonio si trova all’interno della catena, il gruppo è un chetone e il monosaccaride si chiamerà chetoso. I monosaccaridi si dividono in gruppi e il nome è composto dal suffisso -osio e da un prefisso che dipende dal numero di atomi di carbonio che ci sono (tri-, tetr-, pent-, es- …). Inoltre, nel gruppo è indicato il tipo di carbonile: - se il gruppo è aldeidico si mette il prefisso aldo-; - se il gruppo è chetonico il prefisso è cheto-. esempio: monosaccaride costituito da un gruppo aldeidico e 6 atomi di carbonio→ aldoesosio ➢ Aldosi: ribosio e desossiribosio (5 atomi di carbonio), glucosio e galattosio (6 atomi di C) Ribosio e desossiribosio, presenti nei nucleotidi dell’RNA e del DNA, sono pentosi non isomeri poiché differiscono per l’assenza di un atomo di ossigeno nel carbonio-2 del desossiribosio. ➢ Chetosi: ribulosio (5 atomi di carbonio), fruttosio (6 atomi di carbonio). Fruttosio, glucosio e galattosio sono isomeri di struttura, in quanto hanno la stessa formula molecolare C6H12O6ma diversa disposizione degli atomi. Le molecole di monosaccaridi hanno uno o più stereocentri (simbolo *C), nonché gli atomi di carbonio che legano 4 sostituenti diversi. Si presentano sotto forma di due o più enantiomeri, ossia l'una è l'immagine speculare e non sovrapponibile dell'altra; i monosaccaridi sono dunque molecole chirali (non sovrapponibili alla propria immagine). Man mano che aumentano gli atomi di carbonio presenti nella molecola (la catena si allunga), aumenta anche il numero dei centri stereogenici e, quindi, il numero degli isomeri ottici possibili. Gli stereoisomeri che non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro sono detti diastereoisomeri. I diastereoisomeri che differiscono per la posizione di un solo stereocentro sono detti epimeri. (esempio: D-glucosio, D-galattosio sono epimeri) ➢ LA GLICERALDEIDE L’aldoso più semplice è la gliceraldeide (lo zucchero più semplice) che ha formula C3H6O3. La gliceraldeide è un carboidrato aldotrioso, costituito da 3 atomi di carbonio e contenente un gruppo aldeidico; è una molecola chirale, presenta uno stereocentro e due 2 enantiomeri (isomeri ottici): D-gliceraldeide e L-gliceraldeide. Partendo dalla gliceraldeide, Fischer stabilì la convenzione della serie D ed L. PROIEZIONI DI FISCHER Il chimico tedesco Emil Fischer propose di rappresentare le formule di due enantiomeri con formule planari (bidimensionali), dette proiezioni di Fischer, in cui lo stereocentro è identificato dall’intersezione di due segmenti perpendicolari e non dal simbolo *C. Egli stabilì la suddivisione delle molecole chirali e dei monosaccaridi in: ● serie D (destrogiro), se lo stereocentro più lontano dal gruppo aldeidico o chetonico ha l’ossidrile (-OH) a destra; ● serie L (levogiro), se lo stereocentro più lontano dal gruppo aldeidico o chetonico ha l’ossidrile (-OH) a sinistra. La maggior parte deI monosaccaridi presenti in natura appartiene alla serie D, tra cui: D-ALDOSI: ➔ D-glucosio: un esoso (zuccheri formati da 6 atomi di carbonio), è lo zucchero più usato dagli organismi viventi come fonte di energia; ➔ D-galattosio: unendosi al glucosio forma lo zucchero del latte; ➔ D-ribosio: è un pentoso (zuccheri formati da 5 atomi di carbonio) che si trova nella costituzione dell'RNA. ➔ 2-desossiribosio si ottiene eliminando l'atomo di ossigeno legato al carbonio C2 del ribosio. Questo si trova nelle molecole di DNA. D-CHETOSI: ➔ diidrossiacetone: il chetoso più semplice; ➔ D-fruttosio: si trova nella frutta e nel miele. STRUTTURA CICLICA DEI MONOSACCARIDI In soluzione acquosa, i monosaccaridi pentosi ed esosi formano in genere strutture cicliche o emiacetali, tramite una reazione di addizione nucleofila del gruppo ossidrile. La reazione tra il carbonile e l’ossidrile presenti nella molecola conduce alla formazione di una struttura emiacetalica ciclica. L’emiacetale o semiacetale è un composto che ha, sullo stesso atomo di carbonio, funzione alcolica (--OH) e funzione eterea (--O—), in quanto è legato sia a un gruppo ossidrile che a un atomo di ossigeno. - Per rappresentare queste strutture cicliche si utilizzano le formule di proiezione di HAWORTH, dove l'anello viene disegnato come se fosse piano e leggermente inclinato. Gli atomi di carbonio si dispongono in senso orario a partire dal C-1 e l’ossigeno fa da ponte tra il C-1 e il C-5. Gli ossidrili rappresentati a destra nella proiezione di Fischer si trovano sotto il piano dell’anello, mentre quelli di sinistra si trovano sopra. Gli anelli esatomici (aldoesosi e chetoesosi) spesso assumono una conformazione “a sedia” più stabile. ➢ L’ANOMERIA La formazione dell'emiacetale e la chiusura dell'anello danno origine a due nuovi isomeri ottici in equilibrio tra loro, gli anomeri, rappresentati da ժ e β, a seconda della posizione che assume il gruppo ossidrile -OH. L'atomo di carbonio C-1, inizialmente aldeidico, diviene un centro stereogenico. Nel caso del D-glucosio abbiamo gli anomeri: ● ժ-D-glucosio: il gruppo -OH si trova sotto il piano dell'anello (in trans); ● β-D-glucosio: il gruppo -OH si trova sopra il piano dell'anello (in cis). I LIPIDI I lipidi sono dei composti eterogenei, costituiti da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Essi sono insolubili nell'acqua, ma solubili nei solventi apolari e si dividono in 2 gruppi: ● lipidi saponificabili (complessi): se trattati in soluzione basica formano dei saponi, essi sono i trigliceridi, i fosfolipidi e glicolipidi; ● lipidi non saponificabili (semplici): essi non formano saponi, sono gli steroidi e le vitamine liposolubili. I lipidi svolgono varie funzioni: - riserva energetica (trigliceridi); - ruolo strutturale (fosfolipidi, glicolipidi); - funzione regolatrice (ormoni steroidei: testosterone e vitamine liposolubili); - funzione idrorepellente, impermeabilizzante (cere). LIPIDI SAPONIFICABILI ➢ TRIGLICERIDI I trigliceridi, o triacilgliceroli, sono costituiti da una molecola di glicerolo, unita per condensazione a 3 molecole di acidi grassi. Essi svolgono 3 funzioni principali: - hanno un ruolo di riserva energetica; - formano il tessuto adiposo che protegge dal freddo (isolamento termico); - costituiscono un modo per assorbire le vitamine liposolubili a livello intestinale. I trigliceridi si formano tramite una reazione di sostituzione nucleofila acilica, in seguito ad una condensazione che comporta l'eliminazione di 3 molecole di acqua. Se al glicerolo è legata una sola molecola di acido grasso si forma unmonogliceride. - Se la catena è formata da molecole di acido grasso tutte uguali si tratta di trigliceridi semplici, invece se gli acidi grassi sono diversi sono trigliceridimisti. ➢ ACIDI GRASSI Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena idrocarburica che contiene da 4 a 36 atomi di carbonio. Si dividono in saturi e insaturi: ● la catena carboniosa degli acidi grassi SATURI è composta da legami semplici carbonio-carbonio→ è una catena lineare; ● la catena degli acidi grassi INSATURI può contenere un solo doppio legame carbonio-carbonio (acidi grassi monoinsaturi), oppure 2 o più doppi legami (acidi grassi polinsaturi) → è una catena che si ripiega in prossimità del doppio legame e presenta punti di discontinuità. I trigliceridi si dividono in: - GRASSI: si trovano negli organismi animali e sono costituiti da acidi grassi saturi. A temperatura ambiente, si presentano allo stato solido; - OLI: si trovano negli organismi vegetali e sono costituiti da acidi grassi insaturi. A temperatura ambiente, si presentano allo stato liquido. Il diverso stato fisico di grassi e oli dipende dalla saturazione o dall'instaurazione degli acidi grassi, in quanto i saturi presentano legami semplici e conformazioni lineari, si addensano in modo ordinato e sono allo stato solido, mentre gli insaturi presentano più legami e punti di discontinuità, motivo per cui le molecole si associano in modo disordinato ed essi sono liquidi. Le cellule del nostro organismo non sono in grado di formare acidi grassi insaturi con i doppi legami tra il terzo e il quarto oppure tra il sesto e il settimo atomo di carbonio. Tali acidi sono detti acidi grassi essenziali che l'organismo non è in grado di sintetizzare in modo autonomo e per questo vengono introdotti con gli alimenti. Sono necessari per produrre altre importanti molecole coinvolte nella coagulazione del sangue. LE REAZIONI DEI TRIGLICERIDI Le reazioni più importanti dei trigliceridi sono l'idrogenazione e l'idrolisi. ● IDROGENAZIONE La reazione di idrogenazione è il processo di trasformazione degli acidi grassi insaturi degli oli in acidi grassi saturi. La reazione avviene quando il trigliceride insaturo reagisce con l’idrogeno, in presenza di un catalizzatore metallico, per questo si tratta di una reazione di riduzione catalitica. L’addizione di idrogeno (3 atomi) porta alla rottura dei doppi legami e il trigliceride diviene saturo. - Un esempio di reazione di idrogenazione è la trasformazione di oli vegetali inmargarina, un acido grasso saturo di origine vegetale, resa possibile dall’addizione di atomi di idrogeno ai doppi legami. ● IDROLISI La reazione di idrolisi alcalina avviene fornendo calore (Δ) e in presenza di basi forti (NaOH, KOH): il processo, anche detto saponificazione, porta la formazione di glicerolo e sali di acidi grassi, detti saponi. - La molecola di sapone, costituita da una parte idrofobica (lunga coda idrocarburica apolare) e da una idrofila (testa polare) è unamolecola anfipatica. ➢ FOSFOLIPIDI I fosfolipidi sono costituenti della membrana cellulare e sono molecole anfipatiche, poiché presentano una testa polare (idrofila) e una coda apolare (idrofobica). Si dividono in: ● GLICEROFOSFOLIPIDI Il glicerofosfolipidi, o fosfogliceridi, sono composti da una molecola di glicerolo, due molecole di acidi grassi (code) e un gruppo fosfato legato a un amminoalcol (testa). Nella membrana cellulare i glicerofosfolipidi si dispongono in un doppio strato dove: - le code idrofobiche sono rivolte verso l'interno; - le teste idrofile si orientano verso l’esterno, verso il solvente acquoso. ● SFINGOLIPIDI Gli sfingolipidi sono invece costituiti da una molecola di sfingosina e una molecola di acido grasso (coda) e da un gruppo fosfato legato a un amminoalcol (testa). Hanno funzione isolante nel rivestimento degli assoni del neurone. ● GLICOLIPIDI: Tra gli sfingolipidi vi sono i glicolipidi, lipidi complessi che contengono carboidrati e si trovano sulla parte esterna della membrana cellulare. Sono costituiti da una testa idrofila (carboidrato) e due code idrofobiche (sfingosina e acido grasso). La loro funzione è quella di facilitare le interazioni tra le cellule. ➢ CERE Le cere sono dei miscugli costituiti da lunghe catene di acidi grassi esterificati (che reagiscono) con alcol, anch’essi a catena lunga. Hanno funzione di rivestimento protettivo e si trovano soprattutto sugli uccelli acquatici, oppure sono presenti sulla superficie delle foglie. I LIPIDI NON SAPONIFICABILI STEROIDI Gli steroidi sono lipidi non saponificabili costituiti da un idrocarburo policiclico, con una struttura costituita da 4 anelli uniti tra loro. Non hanno reazioni di idrolisi alcalina. ➢ COLESTEROLO Il più importante è il colesterolo, lo steroide più abbondante nei tessuti animali; è un alcol steroideo, la cui molecola presenta un gruppo alcolico (--OH), un doppio legame, una catena alifatica e due sostituenti metilici (--CH). Ha una struttura ad anelli, legata a una catena alifatica e termina con due gruppi metilici. Esso è un importante costituente delle membrane cellulari e della guaina mielinica, dove funziona da isolante. Il colesterolo sviluppa gli acidi biliari (che permettono la digestione) e gli ormoni steroidei, di cui è il precursore (il testosterone, nei maschi, e gli estrogeni e il progesterone nelle femmine). Le fonti principali del colesterolo sono due: quello sintetizzato a livello del fegato e quello contenuto negli alimenti (carni, uova, latte, burro). Le diete ricche di acidi grassi saturi alzano il livello ematico del colesterolo. Esso, associato ad elevate quantità di trigliceridi, porta alla formazione di placche aterosclerotiche che restringono il diametro dei vasi sanguigni, causando patologie cardiovascolari. ➢ TERPENI I terpeni sono derivati dell'isoprene e possono avere varie strutture: ciclici, lineari o strutture miste. Presentano un odore intenso, come quello del mentolo (tipo vegetale), e si trovano sia negli organismi animali che in quelli vegetali. - Ad esempio, lo squalene si trova sia nel fegato degli animali sia nella crusca di riso e nelle olive. LA STRUTTURA DELLE PROTEINE Si possono individuare 4 livelli di organizzazione: ➢ STRUTTURA PRIMARIA: è definita da una sequenza lineare di amminoacidi legati con legami peptidici. Ogni proteina ha la sua sequenza specifica e da essa dipende la sua funzione biologica. La variazione (sostituzione, eliminazione, aggiunta) anche di un solo amminoacido nella sequenza può modificare l’attività biologica. - Nell’emoglobina (proteina che lega e trasporta l’ossigeno nel sangue) si può avere una mutazione genetica che comporta la sostituzione di un acido glutammico con una valina; la variazione di un solo amminoacido fa assumere ai globuli rossi una particolare forma a falce, responsabile dell’anemia falciforme. ➢ STRUTTURA SECONDARIA: è definita dalla disposizione spaziale della catena, caratterizzata dalla presenza di legami a idrogeno tra l’ossigeno del gruppo carbonilico (CO) di un amminoacido e l’idrogeno del gruppo -NH di un altro. Ha due configurazioni: - ad 𝞂-elica: la catena è avvolta a spirale in senso antiorario, stabilizzata da legami a idrogeno tra il carbonile di un amminoacido e il gruppo amminico del quarto amminoacido successivo. I gruppi R si dispongono all’esterno dell’elica e non interagiscono tra loro. Tra gli amminoacidi vicini della catena vi sono dunque legami a idrogeno (deboli) che tendono ad avvolgere la struttura della catena. Questa configurazione conferisce alle proteine elasticità e flessibilità. Proteine che hanno questa struttura sono la cheratina e l’elastina. - a β-foglietto: è costituita da tratti di catena polipeptidica sovrapposti tra loro; i legami a idrogeno si formano tra il gruppo carbonilico (CO) di un filamento e il gruppo -NH di un filamento parallelo; la struttura tende a ripiegarsi. I gruppi R sono perpendicolari e alternati, sopra e sotto il piano della molecola. Una proteina con questa struttura è la fibroina, costituente della tela del ragno. ➢ STRUTTURA TERZIARIA: è la disposizione nello spazio di tutti gli atomi di una proteina ed è determinata da interazioni di varia natura: - legami a idrogeno: tra il gruppo carbonilico (CO) e il gruppo -NH di due filamenti paralleli. - interazioni ioniche: tra gruppi NH+3 e COO-. - interazioni di van der Waals: tra i gruppi R degli amminoacidi; - legami disolfuro: tra due amminoacidi cisteina e formano ponti disolfuro (-S-S-). Questa struttura è costituita dall’insieme di segmenti peptidici aventi struttura secondaria ad alfa-elica e foglietto beta, uniti tra loro da tratti amminoacidi, detti loop. Le catene laterali idrofobiche si posizionano all’interno della struttura, mentre quelle idrofile all’esterno (data la loro solubilità in acqua). Hanno struttura terziaria le proteine globulari come gli enzimi, le proteine di riserva, di trasporto (emoglobina), di difesa (anticorpi) e gli ormoni. ➢ STRUTTURA QUATERNARIA: è definita dall’associazione di due o più catene polipeptidiche ed è stabilizzata da legami a idrogeno, interazioni tra gruppi R apolari e legami disolfuro. Le subunità che costituiscono una proteina possono essere uguali tra loro o differenti. L’emoglobina è costituita da 4 catene polipeptidiche: due 𝞂 e due β. DENATURAZIONE: I legami della struttura secondaria, terziaria e quaternaria sono legami deboli; pertanto, le temperature elevate, i valori estremi di ph e i solventi organici possono portare alla rottura di tali legami e quindi alla denaturazione della proteina, nonché la perdita della struttura e della funzione della proteina. LE VITAMINE Le vitamine sono una classe di composti chimicamente differenti tra loro, accomunati dalla caratteristica di essere essenziali per gli esseri viventi. - Il termine vitamina significa proprio “ammina della vita” e fu coniato in seguito alla scoperta della prima sostanza di questo tipo, la vitamina B1 (o tiamina), a causa della presenza di un gruppo amminico nella sua struttura chimica. Le vitamine sono divise a seconda del loro comportamento in acqua in: ➢ VITAMINE LIPOSOLUBILI: sono quattro (A, D, E, K) e sono composti idrofobici (non solubili) che possono accumularsi nel fegato e nel tessuto adiposo per poi essere utilizzate al momento del bisogno; sono delle molecole essenziali che devono essere introdotte con gli alimenti (di origine vegetale o animale); ➢ VITAMINE IDROSOLUBILI: sono quelle del gruppo B e C e sono sostanze idrofile (solubili in acqua) che l’organismo umano non è in grado di accumulare e che devono essere assunte con regolarità attraverso la dieta. Le vitamine del gruppo B sono trasformate in derivati essenziali per la catalisi enzimatica e implicati nei processi metabolici a carico di carboidrati, lipidi e amminoacidi. La vitamina C svolge invece un’importante funzione antiossidante. Una dieta varia ed equilibrata è fondamentale per l’assunzione delle vitamine, poiché la carenza può causare l’ipovitaminosi e l’eccesso può provocare invece l’ipervitaminosi; entrambe possono essere pericolose per la salute. VITAMINE LIPOSOLUBILI ● vitamina A → (retinolo), si trova nel fegato dei pesci, nel latte e nelle uova; ha una funzione protettiva dei tessuti epiteliali ed è implicata nelmeccanismo molecolare della vista. Combinandosi con l’opsina forma una proteina coniugata, la rodopsina, responsabile dell’assorbimento della luce: una carenza di vitamina A altera la capacità dell’occhio di adattarsi al passaggio dalla luce al buio (condizione di cecità notturna). ● vitamina D → (calciferolo), si trova nell’olio di fegato di pesce, nel latte, nel tuorlo d’uovo; è coinvolta nell’assorbimento e nella deposizione degli ioni calcio e degli ioni fosfato, che permettono la mineralizzazione delle ossa: una carenza di vitamina D nei bambini causa il rachitismo, mentre negli adulti provoca la fragilità delle ossa. ● vitamina E → (tocoferolo), si trova nell’olio vegetale, nelle noci, nelle mandorle e nei fagioli; ha una funzione antiossidante, è in grado di proteggere le membrane cellulari dal danno ossidativo e favorisce il rinnovamento cellulare: una carenza di vitamina E provoca la fragilità dei globuli rossi e la degenerazione dei neuroni. ● vitamina K → (naftochinone), si trova nel fegato, nel tuorlo d’uovo e nei vegetali verdi, come spinaci e piselli; viene usata per la sintesi della protrombina, essenziale per la coagulazione del sangue; una sua carenza aumenta il rischio di emorragie. VITAMINE IDROSOLUBILI ● vitamina B1 → (tiamina), si trova nella carne di maiale, nei fagioli, nei piselli e nei cereali integrali; tra le funzioni sono note la crescita, la fertilità, la digestione, la produzione di latte e il funzionamento dei neuroni; una sua carenza comporta debolezza muscolare, insufficienza cardiaca, perdita di appetito; ● vitamina B2 → (riboflavina), si trova nel fegato, nelle verdure verdi, nei latticini; la sua funzione è l’uso dell’energia e una carenza provoca lesioni agli angoli della bocca; ● vitamina B3 → (niacina), si trova nel fegato, nella carne, nei piselli, nei fagioli, nei cereali integrali; la sua funzione è di crescita e mantenimento delle cellule; una carenza può provocare diarrea e dermatite; ● vitamina B5→ (acido pantotenico), si trova nel fegato, nelle uova, nei piselli, nelle patate e negli arachidi; la sua funzione è la stessa della B2 e B3, ma una sua carenza può provocare mal di testa, nausea, crampi e scarso controllo muscolare; ● vitamina B7 → (biotina), si trova nella carne, nel latte e nelle uova; si occupa del metabolismo e una sua carenza può comportare malattie della pelle, depressione, dolori muscolari e insonnia; ● vitamina B9 → (acido folico), si trova nel fegato, nei fagioli, nelle verdure a foglia verde; la sua funzione è di formazione dei globuli rossi e una sua carenza può provocare debolezza e diarrea; ● vitamina B12 → (cobalamina), si trova nella carne, nel pesce, nei frutti di mare e nel latte; anch’essa forma i globuli rossi e si occupa anche del mantenimento della mielina; una sua carenza provoca debolezza e degenerazione dei nervi; ● vitamina C → (acido ascorbico), si trova negli agrumi, nei pomodori, nei peperoni e nelle fragole; ha funzione antiossidante e si occupa della produzione di tessuto connettivo e neurotrasmettitori; una sua carenza provoca debolezza, dimagrimento e sanguinamento delle gengive. CATABOLISMO DEI CARBOIDRATI La degradazione enzimatica delle sostanze nutritive principali (carboidrati, lipidi e proteine) procede attraverso una serie di reazioni che hanno lo scopo ultimo di generare energia chimica. I carboidrati rappresentano una fonte energetica per la specie umana e si presentano in forma di polisaccaridi (amido e glicogeno) o disaccaridi (saccarosio e lattosio). Per essere assorbiti dalla mucosa intestinale, essi devono essere digeriti, ossia scomposti in monomeri. La digestione inizia nella bocca, dove l'amilasi salivare produce dei polisaccaridi di lunghezza minore, e continua nel duodeno con l'amilasi pancreatica. Infine, gli enzimi dei microvilli intestinali scindono il maltosio in glucosio, il quale viene trasportato a tutte le cellule. Allo stesso modo procede la digestione del glicogeno. - I disaccaridi sono digeriti grazie agli enzimi legati alla superficie esterna dell'epitelio intestinale, ottenendo glucosio, fruttosio e galattosio, mentre i monosaccaridi sono assorbiti nel circolo sanguigno. CATABOLISMO DEL GLUCOSIO L’energia contenuta nei legami chimici del glucosio è estratta tramite tre processi catabolici: ➢ GLICOLISI → è la via che dà inizio al catabolismo del glucosio; tramite una serie di reazioni, il glucosio (a 6 atomi di carbonio) viene convertito in piruvato (a 3 atomi di carbonio) e l’energia liberata viene accumulata sotto forma di ATP e NADH. Si tratta di un processo anaerobico, poiché non richiede ossigeno. - resa energetica: 2 molecole di ATP ➢ RESPIRAZIONE CELLULARE → avviene in presenza di ossigeno in seguito alla glicolisi e ossida ulteriormente il piruvato formando acqua e diossido di carbonio. Si tratta di un processo aerobico e l’energia liberata è impiegata per formare ATP. - resa energetica: 32 ATP ➢ FERMENTAZIONE → avviene in assenza di ossigeno in seguito alla glicolisi e trasforma il piruvato in lattato o etanolo. Si tratta di un processo anaerobico e si libera poca energia. - resa energetica: 2 molecole di ATP GLICOLISI La glicolisi è la prima fase della demolizione del glucosio. Si svolge nel citoplasma delle cellule e comprende 10 reazioni, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima. Gli enzimi agiscono da catalizzatori biologici, velocizzando la reazione. Sette delle dieci reazioni sono reversibili, ovvero possono avvenire anche in direzione opposta, mentre tre tappe, quali la 1, la 3 e la 10, sono irreversibili; pertanto, la glicolisi nel suo complesso è un processo irreversibile. Le dieci reazioni sono divise in due fasi: - FASE D’INVESTIMENTO o ENDOERGONICA (consuma energia): le prime 5 tappe della glicolisi scindono il glucosio in due molecole a tre atomi di carbonio. 1. Si parte da una molecola di glucosio, che viene fosforilata, ovvero viene trasferito un gruppo fosfato dall’ATP alla molecola di glucosio. L’ATP (reagente necessario per l’innesco) diventa ADP (prodotto) e il glucosio si trasforma in glucosio-6-fosfato. L’enzima catalizzatore di questa reazione è l’esochinasi, che trasferisce il gruppo fosfato da un donatore (ATP) a un accettore (glucosio). 2. Il glucosio-6-fosfato (aldoso) viene isomerizzato (cambio conformazionale) in fruttosio-6-fosfato (chetoso), attraverso l’enzima isomerasi. 3. In seguito viene sfruttata un'altra molecola di ATP, che cede il gruppo fosfato al fruttosio 6-fosfato; l'ATP si trasforma in ADP e si forma il fruttosio-1,6-bifosfato. Questa reazione catalizzata dall’enzima fosfofruttochinasi, l’enzima chiave della glicolisi. Questa reazione è importante poiché può fermare la glicolisi, nel caso in cui la cellula non abbia bisogno di energia. 4. Il fruttosio-1,6-bisfosfato (zucchero fosforilato a 6 atomi di carbonio) viene scisso, dall’enzima aldolasi, in 2 molecole a 3 atomi di carbonio che sono: - gliceraldeide-3-fosfato (aldoso); - diidrossiacetone-fosfato (chetoso, isomero della gliceraldeide-3-fosfato). 5. Il diidrossiacetone-fosfato viene convertito, tramite l’enzima isomerasi, in gliceraldeide-3-fosfato. Pertanto, la prima fase della glicolisi termina con 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato. La spesa energetica è di 2 ATP. - FASE DI RECUPERO ENERGETICO o ESOERGONICA (produce energia): le ultime 5 tappe sono caratterizzate dalla trasformazione della gliceraldeide in 2 molecole di piruvato. 6. Le due gliceraldeide-3-fosfato si trasformano in due 1,3-bifosfoglicerato, tramite l’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, che favorisce il legame del fosfato inorganico al gruppo carbonilico della G3P e la riduzione del NAD+. Questa tappa è la somma di due reazioni: l’ossidazione dell’aldeide ad acido carbossilico, con riduzione del NAD+ a NADH + H+; la seconda è la fosforilazione dell’acido carbossilico per formare 1,3-bisfosfoglicerato. 7. Le due 1,3-bisfosfoglicerato cedono il gruppo fosfato all’ADP, tramite l’enzima fosfoglicerato chinasi, e si formano così due molecole ATP e due 3-fosfoglicerato. 8. Le due molecole di 3-fosfoglicerato vengono isomerizzate in due molecole di 2-fosfoglicerato, tramite l’enzima fosfoglicerato mutasi. 9. Dal 2-fosfoglicerato viene eliminata una molecola di acqua, tramite l’enzima enolasi, e si forma un doppio legame tra gli atomi di carbonio C-2 e C-3. Il prodotto della reazione è il fosfoenolpiruvato, un composto instabile che tende a cedere il gruppo fosfato. 10. Il gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato viene trasferito all’ADP, tramite l'enzima piruvato chinasi, e si ottengono due molecole ATP (il guadagno energetico della glicolisi) e il prodotto finale sono due molecole di piruvato. BILANCIO FINALE: Nella fase di recupero vengono prodotte 4 molecole di ATP, ma il guadagno energetico netto è di 2, date le due spese nella prima fase. Pertanto, la glicolisi porta ad ottenere: - 2 ATP; - 2 NADH; - 2 molecole di PIRUVATO. Durante la glicolisi, si verifica l’ossidazione incompleta della molecola di glucosio, con formazione di due molecole di piruvato e liberazione di energia chimica: l’energia liberata è impiegata per la sintesi di ATP e la riduzione di NAD+. Poiché al termine della glicolisi, l’ossidazione del glucosio non è ancora completa, solo una piccola quota dell'energia viene accumulata sotto forma di ATP e NADH; la maggior parte rimane nel piruvato. IL DESTINO DEL PIRUVATO Il piruvato prodotto dalla glicolisi segue vie diverse a seconda che la cellula si trovi in presenza o in assenza di ossigeno: - in condizioni aerobiche, si ha l’ossidazione completa del piruvato (a CO2 e H2O) grazie alla respirazione cellulare; - in condizioni anaerobiche, si ha la fermentazione per evitare che la glicolisi si blocchi per l’assenza di NAD+. LA RESPIRAZIONE CELLULARE La respirazione cellulare avviene neimitocondri, organuli avvolti da una doppia membrana: ・ la membrana mitocondriale esterna è liscia e permeabile a piccole molecole e ioni; ・ la membrana mitocondriale interna è estesa e ripiegata a formare le creste ed è impermeabile alle molecole di piccole dimensioni e agli ioni. I mitocondri sono le “centrali energetiche” delle cellule eucariote, in quanto contengono gli enzimi del metabolismo ossidativo. Presentano due compartimenti: lo spazio intermembrana, posto tra la membrana esterna e quella interna, e lamatrice mitocondriale, delimitata dalla membrana interna. La respirazione cellulare comprende tre vie metaboliche in sequenza: 1. la decarbossilazione ossidativa del piruvato (fase preparatoria) → avviene nella matrice mitocondriale e ossida il piruvato a gruppo acetile. 2. il ciclo di Krebs (o dell’acido citrico) → si svolge nella matrice mitocondriale ed è una serie ciclica di reazioni che ossidano il gruppo acetile a CO2. L’energia rilasciata è accumulata sotto forma di NADH e FADH2. 3. la fosforilazione ossidativa → si svolge sulla membrana interna dei mitocondri; riossida i coenzimi ridotti NADH e FADH2, liberando elettroni e protoni: gli elettroni sono trasferiti all’ossigeno tramite la catena di trasporto; l’O2 è ridotto a H2O e si libera energia, che viene accumulata sotto forma di ATP. ➢ DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DEL PIRUVATO: PRIMA FASE Per entrare nel ciclo di Krebs, il piruvato dev’essere trasformato in acetil-CoA; pertanto, deve entrare nella matrice mitocondriale grazie a una proteina di trasporto. La reazione è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi, un enzima chiave del metabolismo del cervello in quanto collega la glicolisi e la respirazione cellulare. Comprende due fasi: 1. La decarbossilazione e l’ossidazione del piruvato (a 3 atomi di carbonio) ad acetile (a 2 atomi di carbonio) con liberazione di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola di NAD+ a NADH; 2. La formazione di un legame tra il gruppo acetile e il coenzima A (CoA) per produrre acetil-CoA. Quest’ultimo è un derivato della Vitamina B5. Il CoA trasporta e attiva i gruppi acilici grazie alla formazione di un legame estere (tioestere). Per ogni molecola di glucosio, si ottengono due CO2, due acetil-CoA e due NADH. NUCLEOTIDI E ACIDI NUCLEICI ➢ I nucleotidi sono i monomeri degli acidi nucleici, biopolimeri presenti in tutti i sistemi viventi, nei quali presiedono alla conservazione. trasmissione ed espressione dei caratteri ereditari. I nucleotidi sono costituiti da tre componenti: - uno zucchero pentoso (come il D-2-desossiribosio per il DNA e il D-ribosio per l’RNA); - una base azotata; - uno o più gruppo fosfato (che conferisce all’acido nucleico acidità). Le basi azotate che prendono parte alla formazione degli acidi nucleici sono 5 ● pirimidine (citosina, timina, uracile)→ costituite da un anello a 6 atomi; ● purine (adenina, guanina)→ formate da due anelli condensati, uno a 6 atomi e uno a 5. Il gruppo fosfato di un nucleotide può reagire con il gruppo ossidrile di un altro nucleotide, formando un legame fosfodiestere (o ponte fosfodiestere), con eliminazione di una molecola d’acqua. Si genera così un composto, chiamato dinucleotide. Quando più nucleotidi si legano tra loro, si forma un polinucleotide. ➢ Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi in cui una delle due estremità ha un ossidrile libero (-OH) sul C-3’, mentre l’altra ha un gruppo fosfato (-P) legato al C-5’. Nei sistemi viventi sono presenti due classi di acidi nucleici: ● l’acido desossiribonucleico (DNA) → contiene lo zucchero 2-desossiribosio legato a una base azotata (adenina, citosina, guanina, timina). Le molecole di DNA sono depositarie delle informazioni genetiche di ciascun organismo. Il DNA si trova nel nucleo delle cellule eucariote. ● l’acido ribonucleico (RNA) → contiene lo zucchero ribosio legato a una base azotata (adenina, guanina, citosina, uracile). Gli RNA messaggeri agiscono nel citoplasma, fanno da intermediari del DNA e traducono le istruzioni genetiche in proteine, mentre altri RNA svolgono la loro funzione nel nucleo, dove sono coinvolti in meccanismi regolatori. IL DNA Il DNA conserva le informazioni necessarie alle cellule per costruire le proteine. Prima di dividersi, ogni cellula crea una copia esatta del proprio DNA per trasmettere alle cellule della generazione successiva le informazioni necessarie alla sopravvivenza. - Archibald Garrod notò che le persone che avevano ereditato “errori innati del metabolismo” non producevano alcuni enzimi (proteine con attività catalitica). Il desossiribosio è formato da 5 atomi di carbonio e quelli coinvolti nella struttura del DNA sono: ○ carbonio 1: che si lega con la base azotata; ○ carbonio 3: è un punto d’aggancio, che si lega con il gruppo fosfato di un altro nucleotide; ○ carbonio 5: che si lega con il gruppo fosfato. Il DNA si trova: - sparso nel citoplasma della cellula procariota - chiuso nel nucleo nella cellula eucariota. L’RNA L’RNA (acido ribonucleico) è formato da un solo filamento. Il suo zucchero è il ribosio e invece della timina, nella catena si trova l’uracile. La struttura dell'RNA è costituita da un'unica catena polinucleotidica. Esistono 3 tipologie di RNA: ● RNA messaggero (mRNA): copiare il messaggio che si crea sul filamento di DNA e in seguito porta l'informazione ai ribosomi, dove avviene la sintesi della proteina; ● RNA transfer (tRNA): traduce il codice genetico. Si trova in presenza di un anticodone e si lega al codone del mRNA, trasferendo l'aminoacido corrispondente; ● RNA ribosomiale (rRNA): insieme ad alcune proteine forma i ribosomi (gli organismi cellulari dove avviene la sintesi delle proteine). ➢ LA STRUTTURA SECONDARIA DEL DNA La struttura secondaria del DNA è stata ricostruita nel 1953 da James Watson e Francis Crick, che elaborarono il modello tridimensionale con struttura a doppia elica dall’immagine di cristallografia ai raggi X realizzata da Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Inoltre, secondo gli studi di Chargaff, nel DNA la quantità totale delle purine (adenina e guanina) è sempre uguale a quella delle pirimidine (timina e citosina). La molecola del DNA è formata da due catene polinucleotidiche, che formano una doppia elica antiparallela con avvolgimento destrogiro. Le due catene sono: ● antiparallele, poiché decorrono in senso opposto uno rispetto all’altro: un filamento in direzione 3’ → 5’ e l’altro in direzione 3’ ← 5’ (l’estremità 5' di un filamento corrisponde all’estremità 3' dell’altro filamento); ● appaiate e complementari, perché la sequenza di un filamento determina la sequenza dell’altro. Si legano secondo la regola della complementarità dell’appaiamento delle basi: - l’adenina può appaiarsi solo con la timina (T-A), formando 2 legami di idrogeno; - la guanina può appaiarsi solo con la citosina (C-G), formando 3 legami di idrogeno. • I legami tra nucleotidi in ciascuna catena sono legami covalenti (che si formano per condensazione tra un gruppo ossidrile e uno del gruppo fosforico) mentre quelli che uniscono i ⋅ filamenti appaiati sono legami a idrogeno; • Le basi azotate sono disposte verso l’interno e posizionate l’una sull’altra come i gradini d'una scala a chiocciola, mentre zuccheri e gruppi fosfato sono disposti verso l’esterno e la loro alternanza costituisce la ringhiera e forma lo scheletro fosfodiesterico. • L’avvolgimento destrogiro dell’elica crea un solco maggiore, più ampio e profondo, e un solco minore, più stretto e superficiale. ➢ LA DUPLICAZIONE DEL DNA L’appaiamento delle basi fa sì che la replicazione del DNA generi due copie esatte della molecola originale. La replicazione del DNA è una polimerizzazione dipendente da uno stampo poiché le sequenze nucleotidiche dei filamenti preesistenti (stampi) dettano le sequenze dei nuovi filamenti; è definita semiconservativa, in quanto sullo stampo del filamento parentale ci sarà un filamento di sintesi nuova e uno di sintesi vecchia. Quando una molecola di DNA viene replicata, solo brevi tratti della doppia elica vengono separati in filamenti singoli; in particolare, la separazione delle basi inizia da precise posizioni della sequenza nucleotidica, dette origini di replicazioni .Si tratta di regioni ricche in A-T (più facili da spezzare dati soli i due doppi legami rispetto ai tre in C-G). I tratti a singolo filamento possono interagire con diversi enzimi, che agiscono in sequenza. Per fare la sintesi del DNA e per permettere alla cellula di fare un altro filamento servono: ➔ precursori nucleotidici : desossiribonucleotidi trifosfati, che sono: - dATP: deossiadenosina trifosfato (formato da una molecola di zucchero, un'adenina e a tre gruppi fosfato); - dCTP: deossicitidina trifosfato; - dGTP: desossiguanosina trifosfato; - dTTP: deossitimidina trifosfato; ➔ un DNA stampo ➔ enzima polimerizzante (proteina, costituita da amminoacidi) → DNA polimerasi, che mette insieme i desossiribonucleici trifosfato. Non è in grado di creare un filamento di DNA ex novo, ma può solo allungare un filamento già esistente. Inoltre, sintetizza solo in direzione 5’→ 3’. La DNA polimerasi crea legami covalenti tra l’ossidrile di 3’ precedente e 5’ successivo. Vi sono diversi tipi di DNA polimerasi: negli eucarioti 15 tipi, mentre nei procarioti 5. ➔ un enzima elicasi che srotola la doppia elica e separa i filamenti nel punto di origine della duplicazione, detto forcella di duplicazione. PROCESSO DI DUPLICAZIONE La duplicazione avviene in maniera discontinua, perché i due filamenti hanno polarità opposta. Il primo enzima che agisce sul doppio filamento da duplicare è quello dell’elicasi, che rompe i legami a idrogeno e separa i due filamenti, nella forcella di duplicazione. Le proteine SSBs permettono ai filamenti di non riformare i legami, bloccandoli. Le DNA topoisomerasi eliminano i superavvolgimenti consentendo di continuare a separare i due filamenti. L’enzima primasi sintetizza un breve filamento a RNA (RNA primer, breve frammento complementare di RNA), il quale serve per far partire la polimerizzazione da parte delle DNA polimerasi, gli enzimi che sintetizzano i nuovi polinucleotidi. Le DNA polimerasi procedono in modo continuo in direzione 5’→ 3’ sul DNA stampo che ha invece direzione 3’→ 5’. Poiché sono antiparalleli, i due filamenti si comportano diversamente durante la replicazione: - il filamento stampo con orientamento 3’ → 5’ viene sintetizzato in maniera continua, mentre la forcella replicativa avanza lungo la molecola di DNA: questo costituisce il filamento continuo o veloce; - il filamento complementare, con orientamento 5’ → 3’ viene invece replicato a tratti, man mano che la forcella replicativa avanza e i due filamenti delle doppia elica di DNA vengono separati: è detto quindi filamento discontinuo o lento. Nel filamento discontinuo, il DNA viene replicato a brevi tratti adiacenti, i frammenti di Okazaki, alternati agli inneschi a RNA sintetizzati dalla primasi. Pertanto, entrano in gioco le RNasi e DNA ligasi, • Le RNasi sono enzimi che degradano l’RNA, rimuovendo gli inneschi a RNA creati dalla primasi; le zone rimaste vuote vengono quindi riempite dalla DNA polimerasi. • Le DNA ligasi saldano poi i frammenti di DNA neosintetizzati per formare un unico filamento. La DNA polimerasi, oltre ad aggiungere nuovi nucleotidi, è in grado di individuare anche l’eventuale aggiunta di nucleotide sbagliato. Anche altri enzimi riparatori assicurano l’accuratezza della duplicazione, eliminando i nucleotidi non corretti. BIOTECNOLOGIE Le biotecnologie sono l’insieme delle tecniche che consentono di utilizzare organismi viventi (batteri, lieviti, cellule vegetali o animali) o parti di essi (enzimi, acidi nucleici) per la produzione di sostanze utili all'uomo, o per il miglioramento delle caratteristiche di animali e/o piante. Esse si distinguono in: ● BIOTECNOLOGIE TRADIZIONALI: sono i processi in cui, utilizzando microrganismi o loro parti, si producono sostanze utili all'uomo (alimenti e bevande fermentate); ● BIOTECNOLOGIE INNOVATIVE O AVANZATE: nascono dall’unione di più discipline (medicina, chimica, biologia ingegneria) e vengono applicate in settori come farmacologia, medicina, agricoltura, zootecnica, veterinaria, ambiente. Le biotecnologie tradizionali sono sempre esistite, mentre quella moderna è nata all'inizio degli anni 80, quando gli scienziati hanno modificato il patrimonio genetico degli organismi viventi, dando vita ad una nuova scienza: l'ingegneria genetica, che ha portato dei progressi nel campo dell'agricoltura e della medicina. La biotecnologia utilizza batteri e virusmodificati geneticamente che hanno maggiore efficacia o un funzionamento diverso rispetto all'organismo originario. L'inserimento dei geni che non fanno parte del patrimonio genetico dei microrganismi ha portato alla formazione di organismi ricombinanti. In questo modo si sono riuscite a produrre diverse tipologie di sostanze, come i farmaci. - Un esempio è la produzione dell'ormone insulina, prodotto utilizzando il batterio E.Coli, all'interno del quale vengono introdotti i geni umani codificanti per l'insulina. Le biotecnologie intervengono anche sul patrimonio genetico al fine di porre rimedio a delle patologie che derivano da difetti genetici. Infatti, con la terapia genica si cerca di prevenire e curare delle malattie genetiche trasferendo nel paziente il gene funzionante. La biotecnologia viene utilizzata anche nel bio-trattamento o bio-risanamento ambientale, dove si adottano i microrganismi per distruggere le sostanze tossiche e inquinanti presenti nell'ambiente, soprattutto nel suolo. APPLICAZIONI Le principali applicazioni delle biotecnologie sono: ● settore scientifico: prevede la conoscenza del genoma degli organismi; ● settore farmacologico e medico: si ha la produzione di farmaci, vaccini, ormoni; ● settore agricolo, veterinario e zootecnico: si producono piante e animali transgenici superiori, più produttivi, più resistenti a patogeni e parassiti e capaci di sopportare condizioni ambientali non favorevoli; ● settore industriale: vengono prodotti metaboliti primari (aminoacidi, proteine, enzimi, nucleo, acido organici vitamine, alcoli) e secondari (antitumorali, antibiotici, insetticidi) e anche alimenti, bevande e dolcificanti; ● settore ambientale: viene sfruttata l'attività dei microrganismi nei processi depurativi e di risanamento per smaltire e distruggere sostanze contaminanti. INGEGNERIA GENETICA L’informazione genetica contenuta nel DNA è specifica per ogni organismo; le caratteristiche manifestate da ogni individuo (fenotipo) sono codificate dall'informazione genetica (genotipo) contenuta nelle sue cellule. Oggi, grazie alle tecniche dell’ingegneria genetica è possibile alterare il fenotipo di un organismo modificando il suo genotipo. - Nel 1973 i genetisti americani Cohen e Boyer trasferirono in un batterio E.coli una molecola di DNA contenente due geni per la resistenza a due antibiotici, ognuno proveniente da un ceppo batterico. Il nuovo batterio era in grado di resistere a entrambi: mostrava un fenotipo ibrido. Un DNA ricombinante è una molecola di DNA che contiene l’informazione genetica proveniente da due o più organismi differenti. L'ingegneria genetica è l’insieme di tecniche che permettono di manipolare il DNA, isolarlo e prelevarlo, formando una molecola caratterizzata dall'unione di materiale genetico proveniente da più organismi. In questo modo si dà vita a degli organismi transgenici e si conferiscono delle caratteristiche nuove alle cellule riceventi (ricombinanti). DNA RICOMBINANTE Le biotecnologie possono essere usate in diversi modi per le applicazioni più svariate ma nella maggior parte dei casi la prima operazione da compiere è ottenere un gran numero di copie identiche del gene di interesse: questa operazione è detta clonaggio genico. Il clonaggio genico consiste nella produzione di numerose copie di un gene di interesse mediante le tecniche del DNA ricombinante. Per clonare un gene sono fondamentali: - il gene che si intende clonare; - gli enzimi che permettono di “tagliare” e “cucire” il DNA; - un vettore di clonaggio per inserire il DNA ricombinante in una cellula. Per ottenere una molecola di DNA ricombinante bisogna rompere le cellule (donatrice e ricevente) e il processo ha varie fasi: 1. Si estrae il gene di interesse dal DNA di una cellula eucariote e/o procariote e si isola la sequenza. Per farlo è necessario tagliare il DNA, andando a scindere il legame fosfodiestereo che unisce 2 nuclei adiacenti. A tagliare sono gli enzimi di restrizioni, delle “forbici molecolari” che sono in grado di tagliare il DNA in corrispondenza di sequenze specifiche, dette “siti di restrizione”. Ogni enzima di restrizione riconosce una sequenza specifica di taglio, che è in genere palindromica, ovvero può essere letta in qualsiasi direzione. Il taglio avviene mediante idrolisi e può avvenire nello stesso punto sui due filamenti di DNA producendo estremità piatte o può essere sfalsato di qualche nucleotide producendo estremità coesive a singolo filamento. 2. Per inserire la sequenza di DNA tagliata all'interno della cellula ricevente, anche il DNA di quest'ultima deve essere tagliato con lo stesso enzima di restrizione, in modo da creare delle estremità coesive che siano in grado di legarsi fra loro in modo complementare. - Infatti, per poter ottenere DNA ricombinante a partire da 2 molecole di DNA, entrambe devono essere tagliate con lo stesso enzima di restrizione. Uno dei metodi più usati per separare e controllare la dimensione di una molecola di DNA è l’elettroforesi su gel d’agarosio, una tecnica che consente di separare i frammenti di DNA in base alle loro dimensioni. 3. Dopo aver ottenuto il frammento di DNA contenente il genere di interesse questo deve essere messo in un vettore di clonaggio, ossia una molecola di DNA che produce copie identiche di un segmento contenente il gene d’interesse. Occorre dunque l’uso di altri enzimi, le DNA ligasi, che catalizzano la formazione del legame fosfodiestere tra due nucleotidi adiacenti. Viene inserito il gene nel vettore clonaggio e i più usati sono i plasmidi, piccole molecole circolari di DNA che si trovano nei batteri e contengono un sito di duplicazione. Generalmente, un vettore plasmidico contiene: •un’origine di replicazione (compatibile con l’organismo ospite); •un gene reporter per la resistenza agli antibiotici (una proprietà che lo renda identificabile nei saggi in vitro); •sequenze di riconoscimento per enzimi di restrizione. 4. Sia il gene di interesse che il vettore di clonaggio devono essere tagliati con lo stesso enzima di restrizione e in seguito le estremità devono essere unite tramite l'enzima DNA-ligasi. Questa fa in modo che il frammento della cellula donatrice si unica con quella ricevente, agendo da collante tra i frammenti di DNA e creando una molecola di DNA ricombinante diversa da quella iniziale. 5. Il DNA ricombinante può essere inserito in una cellula ospite tramite trasformazione se si tratta di un batterio, oppure tramite trasfezione se si tratta di una cellula eucariotica. Quando queste si dividono o si duplicano producono dei cloni di cellule, ossia gruppi di cellule geneticamente identiche che contengono una copia del genere clonato. In questo modo sono in grado di produrre una grande quantità di copie del genere di interesse. LIBRERIA DI DNA Se il DNA di partenza è più complesso di un singolo gene, per esempio l’intero genoma umano, il taglio con l’enzima di restrizione darà come risultato molti frammenti di diverse dimensioni perché quello specifico sito di restrizione sarà presente in vari punti del genoma. Pertanto, in questo caso è più facile clonare tutta la popolazione di frammenti e separare poi i singoli cloni. - Una libreria di DNA è una collezione di cloni ciascuno contenente un diverso inserto di DNA. LA PCR Al giorno d'oggi isolare un gene o una sequenza di interesse è più facile perché online sono disponibili le sequenze dei genomi completi di molti organismi, motivo per cui si può amplificare la porzione di interesse grazie alla reazione a catena della polimerasi (polymerase chain reaction, o PCR), che permette di ottenere milioni di copie di una sequenza specifica di DNA. ➢ La PCR è dunque un sistema automatizzato per isolare e amplificare il DNA in provetta, basato sulla capacità dell’enzima DNA polimerasi di sintetizzare un nuovo filamento di DNA a partire da un filamento stampo. Per la PCR occorrono: ● uno stampo di DNA che corrisponde alla sequenza di DNA che si vuole amplificare; ● l’enzima Taq polimerasi, una DNA polimerasi ottenuta dal batterio termale Thermus aquaticus, capace di rimanere attivo anche alle alte temperature; ● una coppia di primer di DNA la cui sequenza deve essere complementare alla sequenza di DNA stampo che si vuole amplificare; ● una miscela di desossiribonucleotidi di trifosfato. Tutto ciò viene messo in una provetta e la reazione avviene in un termociclatore, ossia uno strumento che consente di ripetere ciclicamente le 3 fasi che caratterizzano la PCR. finanziato con circa 3 miliardi di dollari. Il progetto mirava a sequenziare il DNA umano, basandosi su campioni di volontari per ottenere una mappatura rappresentativa. Nel 2000, HGP pubblicò una prima versione incompleta del genoma, celebrata dal presidente Clinton come un passo verso una nuova era della medicina. Tre anni dopo, dichiararono completato il 90% del genoma. Tuttavia, non erano riusciti a mappare le sequenze ripetute di DNA, cruciali per la protezione del genoma durante la divisione cellulare. L'HGP lasciò circa l'8% del genoma non mappato, con oltre 400 lacune che richiesero altri vent'anni per essere colmate. Recenti tecnologie hanno permesso di avanzare ulteriormente, con una mappatura quasi completa annunciata l'anno scorso. Questo ha rivelato una complessità maggiore del previsto, dimostrando che molte malattie derivano da una combinazione di fattori genetici, ambientali e casuali. Ha inoltre promosso un approccio aperto alla genetica, rendendo pubbliche le sequenze di DNA e stimolando la ricerca; ha aumentato la consapevolezza pubblica sulla genetica, nonostante alcuni fraintendimenti. Per superare le limitazioni iniziali, è stato avviato lo Human Pangenome Reference Consortium, che mira a sequenziare il DNA di individui da tutto il mondo per creare un pangenoma rappresentativo. In sintesi, il Progetto Genoma Umano ha gettato le basi per la comprensione della nostra genetica, aprendo la strada a terapie personalizzate e nuovi approcci nella medicina, nonostante le sfide tecniche e scientifiche ancora da affrontare. CLONAZIONE La creazione di copie geneticamente identiche di un intero organismo si chiama clonazione. Fin dalla metà degli anni cinquanta del XX secolo diversi ricercatori si sono cimentati con la generazione di cloni geneticamente identici . L'evento che più di tutti ha segnato una svolta storica in questo ambito è stata la nascita della pecora Dolly, il primo mammifero clonato a partire da una cellula adulta già differenziata. Dolly è stata il frutto degli studi del gruppo di ricerca di Ian Wilmut che adattò alle cellule somatiche già differenziate la tecnica di trasferimento nucleare, basata su: 1. prelevare una cellula somatica adulta dall’animale da clonare (nel caso di Dolly si trattava di una ghiandola mammaria di pecora Finn Dorset) e si asporta il suo nucleo; 2. prelevare un oocita non fecondato da un’altra femmina (nel caso di Dolly una pecora di razza diversa) e se ne elimina il nucleo, lasciando intatti membrana e citoplasma; 3. il nucleo della prima cellula si inserisce nell’oocita privato del nucleo, per generare uno pseudo-zigote che viene poi stimolato a dividersi in provetta per generare un embrione; 4. l’embrione viene impiantato nell’utero di una terza femmina (madre surrogata); 5. l’animale che si sviluppa ha un patrimonio genetico identico a quello della cellula somatica iniziale, cioè un clone della pecora Finn Dorset. In che nascita di Dolly la tecnica di trasferimento nucleare è stata applicata anche ad altri mammiferi e sono stati generati cloni di animali dotati di particolari caratteristiche pregiate punto le strategie di clonazione potrebbero fornire un modo per salvare le specie a rischio di estinzione. OGM Gli organismi geneticamente modificati (OGM) sono organismi viventi il cui genotipo è stato modificato con le tecniche dell’ingegneria genetica. L’inserimento di nuovi geni nel DNA di un organismo modifica le sue caratteristiche: si ottengono così animali e piante con nuove proprietà. I rischi e i benefici legati all’uso degli OGM vanno valutati caso per caso, in base alla specie scelta e al gene inserito. I microrganismi OGM sono usati diffusamente per ottenere varie sostanze, per esempio il caglio per produrre i formaggi o farmaci come l’insulina per i diabetici. In ambito agricolo, sono in commercio piante OGM coltivate su oltre 190 milioni di ettari in tutto il mondo, pari al 12% delle coltivazioni mondiali. Queste coltivazioni comprendono soprattutto soia e mais, destinate principalmente all’alimentazione animale, cotone e colza. Vi sono: • OGM resistenti a un diserbante: Piante che sopravvivono ad esempio al glifosato, un potente diserbante molto usato in agricoltura per eliminare le erbacce; questo composto è sospettato di essere cancerogeno. • OGM resistenti a parassiti: Piante che non vengono attaccate da parassiti come la piralide (una farfalla che attacca il mais) perché nel loro patrimonio genetico è stato inserito il gene di un batterio, innocuo per l’uomo, che rende la pianta tossica per il parassita. Il dibattito sugli OGM in agricoltura divide l’opinione pubblica. I sostenitori sostengono che queste coltivazioni possono migliorare la sostenibilità dell’agricoltura e la sicurezza alimentare, e garantire cibo per tutti anche in risposta ai cambiamenti climatici. Gli oppositori affermano che possono provocare danni sugli ecosistemi, sulla salute dell’uomo e degli animali, sulla piccola economia rurale. Tra i rischi, le piante geneticamente modificate potrebbero incrociarsi con specie vegetali locali e con coltivazioni non-OGM poste nelle vicinanze. Inoltre, si potrebbero avere effetti ambientali, come inquinamento delle falde acquifere e contaminazione del suolo.