Le interazioni reversibili tra le macromolecole sono
mediate da 3 specie di legami non covalenti:
1) Legami elettrostatici
2) Legami idrogeno
3) Forze di van der Waals
Le interazioni deboli tra biomolecole
C
C Le interazioni idrofobiche sono tipiche delle soluzioni acquose
Le interazioni molecolari reversibili sono la base
stessa della vita.
Alcuni processi biologici in cui sono coinvolti
legami deboli non covalenti:
1) Replicazione del DNA
2) Ripiegamento delle proteine
3) Riconoscimento specifico enzima-substrato
3) Riconoscimento di molecole segnale
Legami chimici deboli non covalenti
Si ha un’interazione forte quando molti legami non covalenti
vengono formati contemporaneamente.
L’apertura di una struttura stabilizzata da numerose
interazioni deboli richiede che tutte queste interazioni
vengano rotte nello stesso momento.
La stabilità molecolare indotta da 2, 5, 20 interazioni
è molto più grande della semplice addizione delle
energie di legame
La stabilità (misurata come costante di equilibrio)
varia esponenzialmente con l’energia di legame
I legami deboli non covalenti permettono alle macromolecole di
legare in maniera selettiva altre molecole.
Solo un perfetto
interazioni stabili
“riconoscimento”
molecolare
permette
Legami elettrostatici (1)
Un gruppo carico attira un gruppo con carica opposta:
=
O
- CH3 - C
+
H3N - CH2 -
OGruppo carico negativamente (-)
Gruppo carico positivamente (+)
Legami elettrostatici (2)
La forza dell’interazione elettrostatica è data dalla Legge di Coulomb:
Q1Q2
2
εr
Q = carica degli ioni
r = distanza tra i gruppi carichie
ε = costante dielettrica del solvente. Proprietà fisica che riflette
il numero di dipoli. Nel vuoto ε = 1, in H2O ε = 80
La distanza ottimale fra gruppi carichi in una interazione
Elettrostatica è 2,8 Å.
Legami idrogeno
Un atomo di idrogeno è condiviso da 2 altri atomi elettronegativi
Gli atomi di idrogeno dei gruppi OH, NH, SH (detti donatori di
ponti idrogeno) interagiscono con le coppie di elettroni libere degli
atomi accettori (Es.: O, N, S).
Tipici legami H
Lunghezza
O-H
O
2,7 Å
O- H
N
2,88 Å
Esempi di tipici legami idrogeno presenti nelle biomolecole
Accettore di
idrogeno
Donatore di
idrogeno
I Legami idrogeno sono altamente direzionali
I Legami idrogeno più forti sono quelli in cui l’atomo donatore,
l’idrogeno e l’accetore sono sulla stessa retta.
Alcuni legami idrogeno di importanza biologica
Forze di van der Waals
La distribuzione della carica elettronica intorno al nucleo varia
nel tempo.
Le variazioni casuali della posizione degli elettroni intorno al
nucleo possono generare un dipolo elettrico transitorio che
induce un dipolo elettrico altrettanto transitorio ma opposto
nell’atomo vicino.
I due dipoli si attraggono = Interazione di van der Waals
Rappresentazione dell’ Energia di una interazione di van der
Waals in funzione della distanza tra due atomi.
Il raggio di van der Waals stabilisce quanto un atomo può
avvicinarsi ad un altro atomo
Legami chimici
Tipo di Legame
Basi del Legame
Enegia
Lunghezza
Covalente
Compartecipazione 50-110 kcal/mol
di coppie di
elettroni
≈ 0,1 nm
Ionico
Attrazione di
cariche di segno
opposto
3-7 kcal/mol
0,28 nm (ottimale)
Idrogeno
Condivisione di
atomi di idrogeno
3-7 kcal/mol
0,26-0,31 nm
(fra gli atomi che
condividono
l’idrogeno)
Interazioni di van
der Waals
Interazione tra
nubi elettroniche
≈ 1 kcal/mol
0,24-0,4 nm
I quattro tipi di interazioni deboli tra biomolecole in soluzione
acquosa
C
C Le interazioni idrofobiche sono tipiche delle soluzioni acquose
La molecola dell’acqua
La molecola dell’acqua ha una struttura dipolare
Le coppie di elettroni dello strato esterno dell’atomo di ossigeno
hanno una disposizione simile ad un tetraedro.
Nel ghiaccio ogni molecola di acqua è
bloccata nello spazio e forma 4 legami
idrogeno con molecole vicine generando
un reticolo cristallino regolare. Nel
reticolo cristallino del ghiaccio lo stesso
numero di molecole d’acqua occupano
più spazio che allo stato liquido.
Densità ghiaccio < densità dell’acqua
Allo stato liquido le molecole dell’acqua
sono in continuo movimento ed i legami
H si formano e si rompono
continuamente.
Ghiaccio
Allo stato liquido ogni molecola dio H2O
forma una media di 3,4 legami idrogeno
con le altre molecole
La molecola dell’acqua ha le caratteristiche di un dipolo elettrico
Le molecole del metano non possiedono queste caratteristiche
di polarità e sono legate solamente da interazioni deboli
(Interazioni di van der Waals)
Punto di fusione, punto di ebollizione e calore di evaporazione di
alcuni liquidi comuni
Effetto dell’H2O sui legami chimici
Lunghezza (nm)
Forza
(kcal/mol)
Nel vuoto
Forza
(kcal/mol)
In acqua
0,15
90
90
Ionico
0,25
80
3
Idrogeno
0,30
4
1
Attrazione di
van der Waals
0,35
0,1
0,1
Tipo di legame
Covalente
Non Covalenti:
• In H2O a 25 oC l’energia termica delle molecole è dello stesso
ordine di grandezza della forza delle interazioni deboli (non
covalenti).
• E’ invece circa 100 voltre minore della forza di un legame
covalente.
• In H2O i legami idrogeno, i legami ionici, quelli idrofobici e
le interazioni di van der Waals si formano e si rompono
continuamente.
L’acqua solubilizza molti sali cristallini idratando gli ioni che li
compongono
La forza delle interazioni ioniche (F) è data da:
Q1 Q2
F= 2
εr
Q = carica degli ioni
r = distanza tra i gruppi carichie
ε = costante dielettrica del solvente. Proprietà fisica che riflette il numero di dipoli.
Nel vuoto ε = 1, in H2O ε = 78,5.
La forza delle interazioni elettrostatiche in acqua è di circa 80
volte minore rispetto alla forza delle stesse interazioni nel vuoto.
Le interazioni fra molecole polari risultano fortemente indebolite in un mezzo
acquoso.
I sistemi biologici hanno risolto questo problema creando dei microambienti
privi di acqua (idrofobici) dove le interazioni polari sono molto forti
Enzima
-
Sacca idrofobica
+
Substrato
Un enzima che lega un substrato carico positivamento (+) spesso ha un amminoacido
con catena laterale carica negativamente (-) in corrispondenza del sito di
riconoscimento
Quando un sale come NaCl si scioglie si ha un aumento
dell’entropia (disordine) del sistema.
ΔG = ΔH - TΔS = negativo
Perché:
ΔH (variazione di entalpia) ha un valore leggermente positivo
per la rottura dei ponti idrogeno tra le molecole di H2O,
parzialmente compensata dalle nuove interazioni soluto - H2O
ΔS (variazione di entropia) ha un valore nettamente positivo per
l’aumento del disordine del sistema
Solubilità di molecole polari
Le biomolecole polari come gli zuccheri si sciolgono facilmente
nell’acqua per l’effetto stabilizzante dei legami idrogeno che si
formano tra i gruppi ossidrilici e gli atomi di ossigeno carbonilico
dello zucchero e le molecole polari dell’acqua
*
**
*
**
Alcuni organismi hanno proteine trasportatrici solubili in H2O (emoglobina, mioglobina)
che facilitano il trasporto dell’O2
•Il legame C=O nella CO2 è polare ma i due dipoli sono in direzione opposte e
si annullano reciprocamente.
•La CO2 in soluzioni acquose = H2CO3 e viene trasportata in questo modo.
Interazioni idrofobiche
La dissoluzione di soluti idrofobici in H2O porta ad un aumento
dell’entalpia perché la rottura dei legami idrogeno tra le
molecole di acqua richiede energia.
Si osserva inoltre un decremento dell’entropia.
Le molecole di H2O nelle vicinanze del soluto si orientano,
formando strati di molecole d’acqua altamente ordinati che
circondano le molecole del soluto.
La variazione di energia libera (ΔG) è quindi sfavorevole:
ΔG= ΔH - TΔS
ΔH = positivo, ΔS = negativo  ΔG = positivo
Il numero di molecole d’acqua negli strati ordinati è
proporzionale all’area superficiale del soluto
idrofobico
Interazioni idrofobiche
Molecole non polari in un ambiente acquoso tendono a raggrupparsi.
L’aggreagazione delle molecole non polari in acqua porta ad un aumento
dell’entropia del sistema dovuto alla riduzione della superficie esposta al
solvente ed alla conseguente riduzione delle molecole d’acqua negli “strati
ordinati”.
Queste associazioni di molecole non polari in ambiente acquoso sono dette
Interazioni (o attrazioni) idrofobiche
Molecole non polari in una soluzione acquosa vengono tenute insieme non tanto
perché hanno affinità tra loro ma per ridurre la superficie esposta all’acqua.
Acidi grassi a catena lunga in acqua
“Teste idrofiliche”
Gruppi di molecole di H2O
fluttuanti
Molecole di H2O altamente
ordinate disposte intorno alla
catena alchilica idrofobica
Dispersione dei lipidi in
acqua
Ogni lipide costringe le
molecole di acqua circostanti
a disporsi in modo ordinato
Raggruppamento delle
molecole di lipidi
Soltanto le porzioni lipidiche
sui bordi del raggruppamento
forzano l’acqua a disporsi in
modo ordinato. Solo poche
molecole di acqua sono
ordinate e quindi l’entropia
aumenta
Micelle
Tutti i gruppi idrofobici
sono sequestrati e lontano
dal contatto con l’acqua;
non vi sono strati di
molecole
di
acqua
altamente
ordinate
e
quindi l’entropia aumenta
ulteriormente.
Dispersione dei lipidi in acqua
Ogni lipide costringe le molecole di
acqua circostanti a disporsi in modo
ordinato
Raggruppamento delle molecole di
lipidi
Soltanto le porzioni lipidiche sui
bordi del raggruppamento forzano
l’acqua a disporsi in modo ordinato.
Solo poche molecole di acqua sono
ordinate e quindi l’entropia aumenta
Micelle
Tutti i gruppi idrofobici sono sequestrati
e lontano dal contatto con l’acqua; non
vi sono strati di molecole di acqua
altamente ordinate e quindi l’entropia
aumenta ulteriormente.
Molecole di H2O ordinate
che interagiscono con il
substrato e con l’enzima
Molecole di H2O
disordinate staccate
durante la
formazione del
complesso enzimasubstrato
I legami idrogeno tra l’acqua
e le molecole di soluti polari
determinano
un
certo
aumento dell’ordine delle
molecole di acqua, ma
l’effetto è meno significativo
di quello di un soluto non
polare
La liberazione di molecole di
acqua ordinate favorisce la
formazione
del
complesso
enzima-substrato
Il complesso enzima - substato è stabilizzato
dalla formazione di legami idrogeno, interazioni
ioniche e interazioni idrofobiche
I sistemi biologici dipendono dal pH.
Piccole variazioni del pH possono produrre notevoli modificazioni della
velocità di una reazione biologica.
In molte reazioni gli ioni H+ partecipano direttamente come reagenti.
In altre reazioni la cui velocità è influenzata dal pH, gli ioni H+ non
sembrano partecipare direttamente alla reazione (?)
Gli enzimi che catalizzano le reazioni biologiche e molte molecole su
cui essi agiscono contengono gruppi ionizzabili con un caratteristico
valore di pKa (gruppi amminici e carbossilici degli amminoacidi, gruppi
fosforici dei nucleotidi); lo stato di ionizzazione di questi gruppi
funzionali varia con il variare del pH.
L’amminoacido istidina è un acido debole. Il valore di pKa
dell’azoto protonato della catena laterale (anello imidazolico) è di
6,0
I sistemi biologici dipendono dal pH. (b)
Dal momento che i gruppi acidi o basici ionizzabili possono essere
coinvolti in interazioni ioniche che partecipano alla stabilizzazione di
una molecola proteica e consentono all’enzima di riconoscere e di legare
un substrato
Variando il pH si può variare la funzionalità degli enzimi e quindi la
velocità delle reazioni biologiche
L’acqua come reagente
L’acqua può partecipare direttamente alle reazioni chimiche dei
sistemi biologici (reazioni di idrolisi e di condensazione)
Anidride fosforica
Estere fosforico
Estere carbossilico
Acil fosfato
Gli organismi viventi si sono adattati al loro ambiente acquoso
Proprietà dell’acqua importanti per la vita:
Elevato calore specifico
(energia termica necessaria per aumentare di 1 oC la T di 1 g di acqua)
(“tampone termico” utile per mantenere la T costante)
Alto grado di coesione interna dell’acqua allo stato liquido che spiega l’alta
tensione superficiale.
(Trasporto di soluti nelle piante)
Minore densità del ghiaccio rispetto all’acqua allo stato liquido
(Rallentato processo di congelamento dell’acqua)
Le proprietà delle macromolecole biologiche derivano dalle loro interazioni
con le molecole di acqua dell’ambiente circostante.
La vita come noi la conosciamo non
potrebbe esistere in assenza di acqua
FINE
