Fondamenti di Biochimica Strutturale: Vitamine, Proteine e Acidi Nucleici

Biochimica Strutturale

1. Le Vitamine

Le vitamine sono micronutrienti organici essenziali per il corretto funzionamento dell’organismo. Sono definite “essenziali” perché il nostro corpo non è in grado di sintetizzarle autonomamente, oppure le produce in quantità insufficienti; per questo motivo devono essere introdotte attraverso l’alimentazione.

Le vitamine svolgono principalmente una funzione regolatrice: partecipano a numerosi processi metabolici e molte di esse agiscono come coenzimi, cioè molecole che aiutano gli enzimi a svolgere le reazioni chimiche necessarie alla vita cellulare.

Le vitamine si dividono in due grandi categorie: vitamine liposolubili e vitamine idrosolubili.

Vitamine liposolubili

Le vitamine liposolubili si sciolgono nei grassi e possono essere immagazzinate nel fegato e nel tessuto adiposo. Questo permette all’organismo di conservarle più a lungo.

Vitamina A (Retinolo)

La vitamina A è fondamentale per il meccanismo della vista. Nella retina si combina con una proteina chiamata opsina formando la rodopsina, un pigmento indispensabile per percepire la luce, soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione. Una carenza di vitamina A può causare cecità notturna e problemi oculari.

Vitamina D

La vitamina D regola il metabolismo del calcio e del fosforo, favorendo la mineralizzazione delle ossa e dei denti. È importante nella prevenzione di malattie come rachitismo e osteoporosi. A differenza delle altre vitamine, può essere prodotta dalla pelle grazie all’esposizione alla luce solare.

Vitamina E

La vitamina E è un potente antiossidante. Protegge le membrane cellulari dai danni causati dai radicali liberi e contribuisce al mantenimento dell’integrità delle cellule.

Vitamina K

La vitamina K è indispensabile per la coagulazione del sangue perché partecipa alla sintesi di proteine coinvolte nel processo coagulativo. Inoltre contribuisce al mantenimento della salute ossea.

Vitamine idrosolubili

Le vitamine idrosolubili si sciolgono in acqua, non vengono accumulate nell’organismo e l’eccesso viene eliminato attraverso l’urina. Per questo devono essere introdotte regolarmente con la dieta.

Vitamina C (Acido Ascorbico)

La vitamina C svolge una forte azione antiossidante, supporta il sistema immunitario e favorisce l’assorbimento del ferro a livello intestinale. È una vitamina termolabile, cioè sensibile al calore: la cottura prolungata degli alimenti può distruggerla.

Vitamine del gruppo B

Le vitamine del gruppo B partecipano a numerose reazioni metaboliche:

• Vitamina B1 (Tiamina): coinvolta nella produzione di energia a partire dai nutrienti.
• Vitamina B9 (Acido folico): fondamentale per la sintesi del DNA e particolarmente importante durante lo sviluppo embrionale.
• Vitamina B12 (Cobalamina): necessaria per la formazione dei globuli rossi e per il corretto funzionamento del sistema nervoso.

2. Le Proteine e la loro Struttura

Le proteine sono macromolecole biologiche costituite da catene di amminoacidi uniti tra loro tramite legami peptidici. Gli amminoacidi rappresentano le unità fondamentali delle proteine e ognuno possiede un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale variabile.

Le proteine svolgono numerosissime funzioni:

• Strutturale
• Enzimatica
• Di trasporto
• Di difesa
• Regolatrice

La funzione di una proteina dipende strettamente dalla sua forma tridimensionale.

Struttura primaria

La struttura primaria corrisponde alla sequenza lineare degli amminoacidi nella catena polipeptidica. Anche una sola variazione può modificare drasticamente la funzione della proteina.

Un esempio importante è l’anemia falciforme: una mutazione nell’emoglobina sostituisce un amminoacido causando la deformazione dei globuli rossi, che assumono una forma a falce.

Struttura secondaria

La struttura secondaria deriva dal ripiegamento locale della catena grazie ai legami a idrogeno. Le principali conformazioni sono:

α-elica

È una struttura avvolta a spirale, elastica e resistente. Si trova nella cheratina, proteina presente in capelli e unghie.

β-foglietto

È una struttura più rigida e resistente, tipica della fibroina della seta.

Struttura terziaria

La struttura terziaria rappresenta il ripiegamento tridimensionale complessivo della proteina. È stabilizzata da:

• Legami a idrogeno
• Interazioni ioniche
• Interazioni idrofobiche
• Ponti disolfuro

Questa struttura determina la funzione biologica della proteina.

Struttura quaternaria

La struttura quaternaria si ha quando più catene polipeptidiche si associano tra loro formando una proteina funzionale. L’emoglobina ne è un esempio: è composta da quattro subunità proteiche.

Classificazione delle proteine

Proteine fibrose

Sono allungate, resistenti e con funzione strutturale. Esempi: collagene e cheratina.

Proteine globulari

Sono compatte e sferiche. Svolgono funzioni dinamiche come:

• Enzimi
• Ormoni
• Trasporto (come l'emoglobina)

Denaturazione delle proteine

La denaturazione consiste nella perdita della struttura tridimensionale della proteina e quindi della sua funzione biologica. Può essere causata da:

• Temperature elevate
• Variazioni estreme di pH
• Solventi chimici
• Metalli pesanti

Durante la denaturazione vengono alterate le strutture secondaria, terziaria e quaternaria, mentre la struttura primaria generalmente rimane intatta. Un esempio comune è la cottura dell’albume d’uovo.

3. Digestione delle Proteine e Problematiche

La digestione delle proteine inizia nello stomaco. L’acido cloridrico denatura le proteine facilitandone la degradazione, mentre l’enzima pepsina rompe i legami peptidici formando peptidi più piccoli.

Successivamente il processo continua nell’intestino tenue grazie agli enzimi pancreatici e intestinali, che trasformano i peptidi in amminoacidi assorbibili.

Celiachia

La celiachia è una malattia autoimmune scatenata dal glutine, un complesso proteico presente nel frumento e in altri cereali. Nelle persone celiache il sistema immunitario attacca i villi intestinali causando:

• Ridotto assorbimento dei nutrienti
• Diarrea
• Perdita di peso
• Carenze nutrizionali

L’unica terapia efficace è una dieta rigorosamente priva di glutine.

Allergia al grano

L’allergia al grano è una reazione immunitaria mediata da anticorpi IgE contro alcune proteine del frumento. Può provocare orticaria, gonfiore, difficoltà respiratorie e, nei casi più gravi, shock anafilattico.

Fenilchetonuria

La fenilchetonuria è una malattia metabolica ereditaria causata dalla mancanza dell’enzima necessario a metabolizzare la fenilalanina. L’accumulo di questo amminoacido può provocare danni neurologici; è necessaria una dieta specifica a basso contenuto di fenilalanina.

4. Gli Acidi Nucleici: DNA e RNA

Gli acidi nucleici sono macromolecole responsabili della conservazione e della trasmissione dell’informazione genetica. Sono costituiti da nucleotidi, formati da:

• Gruppo fosfato
• Zucchero pentoso
• Base azotata

DNA (Acido Deossiribonucleico)

Il DNA contiene il patrimonio genetico dell’organismo. È formato da due filamenti antiparalleli avvolti a doppia elica.

• Zucchero: desossiribosio
• Basi azotate: Adenina (A), Timina (T), Guanina (G), Citosina (C)
• Appaiamento: A con T, G con C

RNA (Acido Ribonucleico)

L’RNA è generalmente formato da un solo filamento. Differisce dal DNA perché contiene ribosio invece del desossiribosio e possiede uracile (U) al posto della timina.

Tipi di RNA:

• mRNA (messaggero): trasporta l’informazione genetica dal DNA ai ribosomi.
• rRNA (ribosomiale): costituisce i ribosomi insieme alle proteine.
• tRNA (transfer): trasporta gli amminoacidi ai ribosomi durante la sintesi proteica.

5. Saggi di Laboratorio

I saggi di laboratorio consentono di identificare specifiche biomolecole grazie a reazioni chimiche cromogeniche.

Saggio del Biureto

Identifica le proteine grazie alla presenza dei legami peptidici. In presenza di proteine, il reagente passa da azzurro a viola.

Saggio della Ninidrina

La ninidrina reagisce con gli amminoacidi liberi producendo una colorazione porpora. Viene utilizzato anche in criminologia per evidenziare le impronte digitali.

Saggio di Dische

Permette di identificare il DNA reagendo con il desossiribosio, producendo una colorazione blu intensa.

Saggio di Bial

Identifica l’RNA grazie alla presenza del ribosio. La reazione produce una colorazione verde o azzurro-verde.