La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI

La Chimica dei Viventi
I BIOELEMENTI
Insieme degli elementi chimici che entrano
nella composizione della materia vivente.
Costituenti ordinari degli organismi animali e
vegetali ammontano a una trentina circa.
Vengono solitamente suddivisi in tre gruppi:
- macrocostituenti o elementi plastici;
- microcostituenti o oligoelementi;
- microcostituenti accidentali.
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I BIOELEMENTI
La Chimica dei Viventi
I BIOELEMENTI
-
I 4 Macroelementi più importanti sono:
Idrogeno
Azoto
Carbonio
Ossigeno
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I BIOELEMENTI
IDROGENO
è il primo elemento chimico della tavola
periodica degli elementi, ha come simbolo H e
come numero atomico 1;
Allo stato elementare esiste sotto forma di
molecola biatomica, H2, che a pressione
atmosferica e a temperatura ambiente (298K)
è un gas incolore, inodore, altamente
infiammabile.
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I BIOELEMENTI
AZOTO
L'azoto è l'elemento chimico di numero atomico 7. Il
suo simbolo è N (dal latino Nitrogenum).
è costituente fondamentale delle molecole organiche
più importanti dal punto di vista biochimico (DNA,
proteine, vitamine)
L'azoto molecolare (N2, composto di due atomi di
azoto) è un gas incolore, inodore, insapore e inerte
che costituisce il 78% dell'atmosfera terrestre (è il
gas più diffuso nell'aria).
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I BIOELEMENTI
CARBONIO
Ha come simbolo C, numero atomico 6.
Il carbonio si trova in tutte le forme di vita
organica ed è la base della chimica organica.
Questo non-metallo ha l'interessante
caratteristica di essere in grado di legarsi con
sé stesso e con una vasta gamma di elementi
(producendo più di 10 milioni di composti).
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I BIOELEMENTI
Le sue differenti forme includono una delle più soffici
(grafite) e una delle più dure (diamanti) sostanze
conosciute dall'uomo.
I composti di carbonio formano le basi di tutta la vita
sulla Terra e il ciclo carbonio-azoto fornisce parte
dell'energia prodotta dal sole e da altre stelle.
Varie Applicazioni:idrocarburi,petrolio,datazione al
radiocarbonio,acciaio,ghisa etc.
Quattro allotropi del carbonio sono conosciuti:
carbonio amorfo, grafite, diamanti e fullereni.
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I BIOELEMENTI
OSSIGENO
ha come simbolo O e come numero atomico 8,
L'ossigeno libero, come lo si trova sulla Terra,
è termodinamicamente instabile, ma esiste
grazie all'azione della fotosintesi delle piante.
L'ossigeno è l'elemento chimico più comune
della crosta terrestre rappresentandone circa
il 47% della massa, mentre nell'atmosfera è in
percentuale del 21%.
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I BIOELEMENTI
A temperatura e pressione standard, l'ossigeno si
trova in forma di gas costituito da due atomi O2;
L'ossigeno trova un impiego considerevole come
ossidante e comburente ;
L'Ossigeno è un elemento essenziale per la vita degli
esseri umani e degli animali superiori e come tale e'
stato piu' volte proposto (peraltro senza successo)
come fattore vitaminico col nome di vitamina O.
L'ossigeno è l'elemento più abbondante della crosta
terrestre, si stima che ammonti al 46,7%. L'ossigeno
forma l'87% degli oceani (in quanto componente
dell'acqua, H2O) e il 20% dell'atmosfera terrestre
(come O2 o O3, ozono).
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze Intermolecolari (spesso indicate
come forze di Van der Waals)
- Forze di Dispersione (di London)
- Interazioni Dipolo-Dipolo
- Forze d’Induzione ( di Debye)
Interazioni Ione-Dipolo
Legami a ponte di Idrogeno
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze di Dispersione (di London)
Sono attribuite all’effetto di
spostamenti temporanei di carica che si
verificano in tutti gli atomi o molecole,
anche con una distribuzione simmetrica
della struttura elettronica. Forze a
corto raggio (1/r6)
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LE INTERAZIONI DEBOLI
In altri termini…
Le forze dispersive derivano dal fatto che la
distribuzione degli elettroni in un atomo o
molecola non è simmetrica istante per istante.
Se si considera un atomo di un gas nobile come
l‘Argon, la distribuzione degli elettroni in
media è perfettamente sferica e non c'è
alcuna polarizzazione
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LE INTERAZIONI DEBOLI
tuttavia, ad un dato istante, il moto degli
elettroni (a causa della correlazione dinamica)
è tale per cui la distribuzione non è
perfettamente sferica e si crea una
debolissima polarizzazione di carica (cioè un
piccolissimo momento di dipolo). Questo è in
grado di generare un altro dipolo opposto, e
quindi attrattivo, in un atomo adiacente, e così
via.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
INTERAZIONI DIPOLO-DIPOLO
Sono originate dalle interazioni
elettrostatiche tra i poli di molecole che
hanno un proprio momento dipolare µ.
I dipoli tendono ad orientarsi in modo da
avvicinare i poli di segno opposto.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze di Induzione ( di Debye)
Sono dovute alla formazione di un momento
dipolare indotto in molecole che si trovano in
prossimità di una carica (ione,dipolo
permanente o campo elettrico E).
Il contributo di queste forze, alle interazioni
molecolari, generalmente è piuttosto piccolo.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Forze di Induzione (di Debye)
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Interazioni Ione-Dipolo
Questa interazione è all'origine della solubilità
delle sostanze ioniche in acqua. Durante il
processo di idratazione (solvatazione) il
catione attrae l’estremità negativa dei dipoli
dell’acqua, l’anione l’estremità positiva. Il
numero di molecole di acqua legate,
denominato numero di idratazione dello ione, è
direttamente proporzionale alla carica dello
ione e inversamente proporzionale alla sua
dimensione.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Ioni piccoli come Li+, Na+, F−, OH− sono
capaci di legare molecole di acqua nella prima
sfera di idratazione e producono ordine anche
oltre questa sfera, per questo si chiamano ioni
strutturanti. Uno solido si scioglie se la sua
energia reticolare è inferiore dell’energia di
idratazione.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Legami a (Ponte) Idrogeno
Interazioni (di tipo elettrostatico) dipolo-dipolo
che si realizzano quando un atomo di idrogeno
si lega contemporaneamente, o come
generalmente si dice, fa da ponte tra due
atomi A e B secondo lo schema:
A-H----B
A e B sono atomi di piccole dimensioni e molto
elettronegativi, come Azoto,Ossigeno,Fluoro e
in misura minore,Cloro.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
1.
2.
Condizoni Neccessarie per la formazione di legami
ad H:
L’atomo A deve avere una elletronegatività
sufficentemente elevata
L’atomo A deve avere dimensioni sufficentemente
piccole:
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Se l’atomo B appartiene ad un’altra molecola, il
legame a Idrogeno è chiamato
Intermolecolare;
Se l’atomo B appartiene alla stessa molecola,
il legame a Idrogeno è chiamato
Intramolecolare.
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LE INTERAZIONI DEBOLI
La presenza di legami ad Idrogeno determina:
- un aumento molto sensibile delle temperature di
fusione ed ebollizione delle sostanze:
- un notevole incremento dei calori di fusione e di
vaporizzazione;
- un aumento del calore specifico
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LE INTERAZIONI DEBOLI
Energia cinetica media relativa ai moti di traslazione
delle molecole a temperatura ambiente: 3,7 kJ. mol-1
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LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
Le Caratteristiche dell’Acqua
1.
2.
3.
L’Acqua è una molecola notevolmente asimmetrica
con l’atomo di O da un lato e i due atomi di H dal
lato opposto.
Ognuno dei due legami covalenti è molto polarizzato.
Tutti e tre gli atomi della molecola d’acqua tendono
a formare legami idrogeno.
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LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
Ogni molecola di acqua può formare legami idrogeno
con un massimo di quattro molecole di acqua.
Il legame idrogeno avviene tra un H parzialmente
positivo di una molecola e l’atomo di O di quella vicina.
Questa proprietà è particolarmente evidente quando
si scalda l’acqua, laddove la maggior parte dell’ energia
termica si consuma per rompere i legami idrogeno.
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LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
Lo stesso concetto lo si può applicare al fenomeno
dell’ evaporazione.
Esempio nell’uomo: la sudorazione:
Il calore per scindere i ponti idrogeno viene fornito
dal corpo che così si raffredda.
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LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
L’Acqua è il principale solvente presente in Natura;
Determina la struttura delle molecole biologiche, in
quanto è la matrice fluida intorno alla quale si
costruisce la struttura insolubile della cellula.
Ha spiccata capacità di formare ponti idrogeno con la
maggior parte delle molecole organiche polari
(proteine,zuccheri).
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Il componente principale di un organismo è l’acqua, ma
se questa viene evaporata la maggio parte del
rimanente peso secco è composta da molecole
contenenti atomi di carbonio.
Queste molecole furono chiamate Molecole Organiche.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Essenzialmente si riconoscono quattro famiglie o
classi di molecole organiche:
- Carboidrati
- Lipidi
- Amminoacidi e Proteine
- Nucleotidi e Acidi Nucleici
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LE MOLECOLE ORGANICHE
CARBOIDRATI
Gruppo di sostanze che comprende gli zuccheri semolici ( o
monosaccaridi) e tutte le molecole più grandi a partire d a
molecole di zuccheri.
Funzionano come depositi di energia chimica e come
materiale di costruzione di lunga durata delle strutture
biologiche.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
La maggior parte degli zuccheri ha formula generale:
(CH2O)n
dove n può variare da 3 a 7
- se n=3 Triosi
- se n=4 Tetrosi
- se n=5 Pentosi
- se n=6 Esosi
- se n=7 Eptosi
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LE MOLECOLE ORGANICHE
La Struttura degli Zuccheri semplici
Ogni molecola di zucchero è composta da uno
scheletro lineare di atomi di carbonio con legami
singoli.
Ogni atomo di carbonio si lega ad un singolo gruppo
idrossilico, ad eccezione di quello che porta il gruppo
carbonilico (C=O).
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Se il gruppo carbonilico è situato all’interno della
molecola (a formare un gruppo chetonico) lo zucchero
è un Chetoso
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Se il gruppo carbonilico è situato ad una estremità,
forma un gruppo aldeidico e la molecola è un aldoso.
Es: Glucosio
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LE MOLECOLE ORGANICHE
L’unione degli zuccheri fra di loro
Gli zuccheri si uniscono tra loro con legami
glicosidici per reazione fra il carbonio C1 di uno
zucchero e il gruppo carbossilico di un altro zucchero
generando il legame
-C-O-CSaccarosio = glucosio + fruttosio
Legame a (12)
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Gli zuccheri possono anche legarsi assieme a formare
piccole catene che si chiamano oligosaccaridi.
Più spesso gli oligosaccaridi sono legati covalentemente
a lipidi o proteine trasformandoli rispettivamente in
glicolipidi o glicoproteine, strutture importanti nella
membrana cellulare.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Polissaccaridi
Sono polimeri di unità di zucchero unite con legami
glicosidici.
Alla metà del XIX secolo Claude Bernard scoprì il
polisaccaride più importante per l’uomo:
Il Glicogeno
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Glicogeno e Amido: polisaccaridi nutritivi.
- Il Glicogeno è un polimero che contiene solo glucosio
- Le unita di glucosio sono unite l’una all’altra con legami glicosidici
a(14)
- Ogni 10 unità ci sono punti di ramificazione con legame glicosidico
a(16).
- Il Glicogeno serve come deposito di energia chimica negli animali.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
L’ Amido
- Deposito di surplus di energia nei vegetali
- Formato da due diversi polimeri:
1) Amilosio= molecola elicoidale,non ramificata, a(14)
2) Amilopectina= ramificata (meno del glicogeno, ogni 30 unità)
- Depositato sottoforma di granuli nei Plastidi della cellula vegetale
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Esistono anche altri tipi di polimeri chiamati
“di struttura” :
- La Cellulosa = monomeri di glucosio, B(14)
- La Chitina = polimero N-acetilglucosammina
-Glicosamminoglicani = con struttura “ a tandem” di 2
diversi zuccheri (--A-B-A-B--)
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LE MOLECOLE ORGANICHE
LIPIDI
Gruppo di molecole biologiche che hanno in comune la
proprietà di esser solubili in solventi organici e di
essere insolubili in acqua.
I Lipidi importanti per le funzioni della cellula sono:
- Grassi;
- Steroidi;
- Fosfolipidi.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Grassi
Sono composti da una molecola di glicerolo
esterificata da tre acidi grassi Triacilglicerolo
Sono sorgente di energia a lunga durata 1gr 9 Kcal
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Gli acidi grassi sono lunghe catene di idrocarburi non
ramificate (idrofobiche)con un unico gruppo
carbossilico all’estremità (idrofilico), per questo sono
dette molecole Anfipatiche.
Questi differiscono tra loro per:
- la lunghezza della catena carboniosa
- la presenza di doppi legami
a) Saturi (non ci sono doppi legami)
b) Insaturi (uno o più doppi legami)
++ doppi legami - T° fusione
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Steroidi
- Contengono caratteristico scheletro carbonioso a
quattro anelli (tetra ciclopentanofenantrene)
- Il più importante è il Colesterolo, componente della
membrana cellulare e precursore di ormoni steroidei
(testosterone,progesterone)
- NB: colesterolo è assente nelle cellule vegetali!!
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Fosfolipidi
Strutturalmente assomigliano ai grassi con la
differenza di avere solo due acidi grassi, per cui
vengono chiamati diacilgliceroli.
Il terzo gruppo idrossilico del glicerolo è legato
covalentemente ad un gruppo fosforico che a sua
volta lega la colina
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LE MOLECOLE ORGANICHE
PROTEINE
Sono la classe di molecole organiche più versatile dal
punto di vista funzionale, infatti basti pensare agli
enzimi, al citoscheletro, agli anticorpi, agli ormoni…etc
Ma come mai hanno cosi tante funzioni?
La loro grande varièta di funzioni dipende dalla
grande varietà di strutture con cui possono
prersentarsi ed inoltre dal loro altissimo grado di
specificità.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Le proteine sono polimeri costituiti di molti monomeri
che sono gli Aminoacidi (aa)
Ogni proteina ha una sequenza di aa unica
Tutti gli aa hanno un gruppo aminico e un gruppo
carbossilico separati fra loro da un carbonio (alfa)
Gli aa isolati dalle proteine sono L-amminoacidi.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Durante la sintesi proteica ogni aa è unito all’altro
tramite il legame peptidico, questo avviene tra NH3+
di un aa e il COO – di quello vicino, con liberazione di
una molecola di acqua.
La catena che si forma sarà chiamata Catena
Polipeptidica e gli aa incorporati saranno detti residui.
Il residuo ad una estremità con l’ NH3+ libero sarà
chiamato N-terminale
Quello con il COO- libero C-terminale
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LE MOLECOLE ORGANICHE
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Inoltre i vari aa sono classificati in base alle
caratteristiche del loro gruppo R:
-Polari con carica eletterica: R sono acidi o basi forti
(Es: Lys,Arg,His)
-Polari,senza Carica: R sono acidi o basi deboli (Ser,Tyr)
- Non polari: R sono idrofobici (Val,Leu,Met,Trp)
- Particolari: sono tre e hanno gruppo R esclusivo
1) Glicina R = H
2) Prolina R = parte di anello idrofobico
3) Cisteina R= gruppo sulfidrico reattivo
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LE MOLECOLE ORGANICHE
La struttura delle proteine
Esiste un astretta correlazione tra forma e funzione;
La struttura delle proteina può essere descritta a
diversi livelli di organizzazione:
- Primaria
- Secondaria
- Terziaria
- Quaternaria
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Primaria
- E’ la sequenza lineare specifica degli aa che
compongono la catena.
- Tale sequenza possiede le informazioni necessarie per
la forma tridimensionale della molecola
- Per questo sono molto gravi mutazioni a carico della
sequenza primaria.Un esempio è L’anemia falciforme
dove un acido glutammico è sostituito da una Valina (in
una delle catene Beta).
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Secondaria
Incomincia il processo di conformazione della molecola
Si riconoscono 2 tipi di struttura secondaria:
Alfa-elica
Beta-foglietto
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LE MOLECOLE ORGANICHE
L’alfa elica = struttura a spirale avvolta
a delimitare un cilindro, con scheletro
all’interno dell’elica e le catene
laterali si proiettano all’esterno.
La struttura è stabilizzata
da legami idrogeno.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Beta-Foglietto = costituito da molti polipeptidi
paralleli l’uno all’altro.
Lo scheletro di ogni polipetide assume conformazione
pieghettata o “a organetto”
I legami idrogeno sono perpendicolari all’asse della
catena polipeptidica
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Struttura Terziaria
Per struttura terziaria, si intende il modo in cui
l'intera catena polipeptidica è ripiegata
nella struttura tridimensionale
propria della proteina.
In pratica, la struttura terziaria
definisce le coordinate spaziali di tutti gli atomi del
polipeptide.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Struttura Terziaria
I ripiegamenti della catena fanno sì che elementi
di struttura secondaria vengano a trovarsi vicini
l'uno all'altro, in modo che le catene laterali R dei
residui amminoacidici possano interagire fra loro
formando legami deboli che contribuiscono a
stabilizzare la conformazione 3D della proteina.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Struttura Terziaria
In alcuni casi, oltre a queste interazioni
di natura essenzialmente elettrostatica,
possono formarsi legami covalenti
(ponti disolfuro, S-S) fra due catene
laterali di residui di cisteina che, sia pur lontani
nella sequenza amminoacidica, vengano a trovarsi in
prossimità a causa dei ripiegamenti della catena.
Questi legami, essendo legami covalenti forti, danno un
contributo notevole alla stabilità della struttura terziaria.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Struttura Terziaria
Un altro fattore che determina la conformazione
tridimensionale stabile di una proteina, sono le
interazioni delle catene laterali con il solvente
(l'acqua).
Le catene laterali apolari dei residui amminoacidici
tendono infatti a disporsi verso l'interno della
proteina, a costituire un "core" di natura idrofoba
inaccessibile al solvente, mentre i gruppi R polari
(idrofili) tendono a rimanere esposti alla superficie,
dove possono formare legami a H con l'acqua del
mezzo.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Le proteine in forma terziaria possono presentarsi
come:
- Proteine Fibrose: fungono da materiale di struttura
all’esterno della cellula, costituite da lunghi filamenti
o nastri che resistono alle forze di trazione o taglio.
Es: collagene,elastina,cheratina.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
-
-
Proteine Globulari: rappresentano invece la maggior
parte delle proteine all’interno della cellula. Con la
loro forma più compatta (a globulo) resistono alle
forze di compressione
Es: mioglobina,
emoglobina.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Si è messo in evidenzia che ci sono due o più regioni,
distinte e compatte, che funzionano in maniera
semindipendente e sono collegate tra loro da porzioni
“cerniera” della catena.
Tali regioni sono i domini.
Inoltre si è osservato che l’architettura di tali
complessi a prima vista complicati, segue dei modelli
ben precisi che prendono il nome di motivi.
Es: Spirale avvolta, barile α/β
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Struttura Quaternaria
Molte proteine (ad esempio, un gran numero di
enzimi), nella loro forma attiva sono invece costituite
dall'associazione di due o più unità di struttura
terziaria (dette monomeri o subunità), uguali
(proteine omo-oligomeriche) o diverse (proteine
etero-oligomeriche).
Si parla in tal caso di struttura quaternaria, per
riferirsi all'organizzazione multimerica della proteina.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
Nella struttura quaternaria, le subunità sono tenute
insieme da interazioni generalmente non covalenti,
spesso di natura idrofobica.
Raramente, più catene peptidiche sono unite da legami
covalenti, come accade ad esempio nelle immunoglobuline
(una classe di anticorpi), in cui le catene leggere e
pesanti sono tenute insieme da ponti disolfuro.
Altrettanto insolito è il coinvolgimento diretto di legami
a ponte di idrogeno nell'associazione di più subunità.
Nella struttura quaternaria infatti, le subunità tendono
ad affiancarsi in modo da contrapporre l'una all'altra le
loro porzioni idrofobiche, rivolgendo verso l'esterno le
regioni polari, idrofile.
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LE MOLECOLE ORGANICHE
L' emoglobina è un esempio classico di una proteina a
struttura quaternaria. La proteina è un tetramero
costituito dall'associazione di due catene α (141
amminoacidi) e due catene β (146 amminoacidi),
ciascuna delle quali lega un gruppo eme
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LE MOLECOLE ORGANICHE
NUCLEOTIDI & ACIDI NUCLEICI
Gli acidi nucleici sono delle macromolecole polimeriche
lineari ovvero polimeri di nucleotidi i cui monomeri
sono i nucleotidi stessi, formati da uno zucchero, una
base azotata e dei gruppi fosfato. Negli organismi
viventi si trovano due tipi di acidi nucleici:
DNA (acido deossiribonucleico)
RNA (acido ribonucleico)
NUCLEOTIDI
NUCLEOSIDE =
=
PENTOSO + BASE AZOTATA + FOSFATO
PENTOSO+BASE AZOTATA
-PENTOSO: DESOSSIRIBOSIO (DNA) o RIBOSIO (RNA)
-BASE AZOTATA: PURINICA (ADENINA, GUANINA)
PIRIMIDINICA (CITOSINA, TIMINA,URACILE)
Appaiamento per complementarietà tra una purinica e una pirimidinica
--TIMINA
CITOSINA---GUANINA
NUCLEOSIDI
BASE+ZUCCHERO
adenosina-guanosina
citidina-timidina-uridina
Deossi- (se parliamo di DNA)
(Adenosina)
NUCLEOTIDI
BASE + ZUCCHERO + FOSFATO
adenilato-guanilato
citidilato-timidilato-uridilato
DEOSSI- (se basi del DNA)
I singoli nucleotidi si
legano tra loro
grazie a legami
fosfodiesterici
è un tipo di legame covalente
in cui un atomo di fosforo
è collegato ad altre
due molecole tramite
due legami esterei.
La struttura del DNA
Watson e Crick (1953)
•
La cristallografia a raggi-X ha mostrato
che la molecola di DNA è una doppia elica
La struttura del DNA
•
•
Formato da un doppio filamento di nucleotidi
superavvolto.
Si trova :
–
–
–
•
•
•
nel nucleo delle cellule eucariotiche
nei mitocondri
nel citoplasma dei procarioti (nucleoide)
I due filamenti presentano una direzione
“antiparallela”.
Portatore dell’informazione genetica
Nella sua sequenza di basi azotate contiene
l’informazione necessaria per la sintesi
proteica.
Il DNA nativo è una doppia elica di catene
antiparallele complementari
Il DNA può andare incontro ad una
separazione reversibile dei due filamenti
Il modello di replicazione
del DNA proposto nel
1953 da Watson e Crick
Secondo il modello semiconservativo la duplicazione
comporta le seguenti fasi:
•Progressivo svolgimento delle due catene
polinucleotidiche avvolte a spirale
•Separazione delle catene per apertura dei ponti
idrogeno tra basi complementari appaiate, che le
rende quindi libere di interagire con quelle dei
nucleotidi presenti nell'ambiente ( la separazione non
avviene su base enzimatica)
•Sintesi, ad opera dell'enzima DNA polimerasi, su ogni
catena separata di una catena nuova complementare.
Ognuna delle due catene parentali funziona da modello
o stampo per la sintesi di una catena nuova mediante
appaiamento di nucleotidi complementari ai propri.
La Chimica dei Viventi
LE MOLECOLE ORGANICHE
Strutture alternative
a doppia elica
Il DNA esiste in diversi tipi di
conformazioni;
Solo le conformazioni A-DNA, BDNA e Z-DNA sono state osservate
nei sistemi biologici naturali.
Di tali conformazioni, la
conformazione B è la più frequente
nelle condizioni standard delle
cellule.
A-DNA B-DNA Z-DNA
Senso
dell'elica
destrorso
destrorso
sinistrorso
Unità
Unità ripetuta
1 bp
1 bp
2bp
Rotazione/bp
Rotazione/bp
33,6°
33,6°
35,9°
35,9°
60°
60°/2bp
bp medie/giro
10,7
10,0
12
Passo/gi ro
d’elica
24,6Å
24,6Å
33,2Å
33,2Å
45,6Å
45,6Å
Diametro
25,5Å
25,5Å
23,7Å
23,7Å
18,4Å
18,4Å
La Chimica dei Viventi
GLI ENZIMI
- La catalisi è necessaria per permettere a molte reazioni
biochimiche essenziali di procedere ad una velocità
conveniente in condizioni fisiologiche (condizioni di
temperatura e pH molto blande).
- Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una
reazione chimica senza subire trasformazioni durante
l’intero processo.
- Un vero catalizzatore sebbene partecipi alla reazione, rimane
inalterato nel processo e cambia la velocità ma non influisce
sulla posizione dell’ equilibrio di una reazione.
-
Un processo termodinamicamente favorito non viene reso più
favorito, né un processo sfavorito viene reso favorito, dalla
presenza di un catalizzatore!!!
LO STATO DI EQUILIBRIO VIENE SOLO RAGGIUNTO
PIU’ VELOCEMENTE.
PROPRIETA’ GENERALI DEGLI ENZIMI
Potere catalitico elevato (di quante volte
aumenta la velocità di reazione in
presenza dell’enzima, tra 106-1014)
Specificità
Regolazione
S
[S]
P
- enzima
Velocità di reazione:
d[S]
V=-
=
dt
+ enzima
1min
t
d[P]
dt
Gli ENZIMI sono costituiti da molecole di natura proteica e possono essere
suddivisi
in tre classi:
• PROTEINE SEMPLICI
• METALLO-PROTEINE
• PROTEINE CONIUGATE
Oloenzima: complesso cataliticamente attivo enzima-cofattore
Apoenzima: la parte proteica,priva di cofattore, cataliticamente inattiva
Cofattore: componente non proteica (Ione Metallico o Molecola Organica)
Dal punto di vista strutturale gli enzimi possono essere distinti in:
• MONOMERICI
• OLIGOMERICI
• COMPLESSI ENZIMATICI
ATTIVATORI
IONI ESSENZIALI
COSTITUTIVI
COFATTORI
COCO-SUBSTRATI
COENZIMI
GRUPPI PROSTETICI
Cofattori
Piccole molecole organiche o inorganiche la cui presenza è necessaria perché
un enzima sia attivo
• In genere TERMOSTABILI, mentre la maggior parte degli enzimi perde
l’attività in seguito a riscaldamento
GLI ENZIMI SONO PROTEINE!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
• Funzionano in genere da trasportatori intermedi di gruppi funzionali, di
atomi specifici o di elettroni che vengono trasferiti nella reazione enzimatica
generale.
• GRUPPO PROSTETICO se legato molto saldamente all’apoenzima
Gli enzimi catalizzano le reazioni
abbassando la barriera di attivazione.
Essi legano saldamente gli intermedi allo
stato di transizione e l’energia di legame
di questa interazione riduce l’
ENERGIA DI ATTIVAZIONE.
Enzimi
Sito di legame (microambiente tridimensionale
della struttura della proteina dove
vi è l’interazione con il substrato)
SITO ATTIVO
Specificità di reazione
Sito catalitico (porzione limitata del sito attivo
costituito dagli aminoacidi coinvolti
direttamente nella reazione enzimatica)
Le molecole non devono incontrarsi casualmente ma vengono ospitate nel sito attivo e quindi il
loro incontro è facilitato inoltre vengono a confrontarsi in una posizione utile.
La Chimica dei Viventi
GLI ENZIMI
Le Funzioni Biologiche
Una delle caratteristiche più importanti degli enzimi è la
possibilità di lavorare in successione, creando un pathway
metabolico. Nei pathway, ogni enzima utilizza il prodotto della
reazione precedente come substrato.
Un'altra importante funzione degli enzimi è correlata alla
digestione negli animali. (Es: amilasi,proteasi)
Essi sono anche fondamentali per la trasduzione del segnale e la
regolazione dei processi cellulari. (Chinasi,Fosfatasi)
Gli enzimi sono anche in grado di generare movimento, come
avviene ad esempio con la miosina, che idrolizza l'ATP generando
la contrazione muscolare
Altre ATPasi, localizzate presso le membrane cellulari, sono le
pompe ioniche, coinvolte nel trasporto attivo.
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GLI ENZIMI
Struttura e Funzionamento
L'attività degli enzimi è determinata dalla struttura quaternaria
(ovvero la conformazione tridimensionale) degli enzimi stessi.
La maggior parte degli enzimi presenta dimensioni decisamente
maggiori dei substrati su cui agiscono.
Solitamente la regione dell'enzima coinvolta nell'attività
catalitica è molto ridotta, tale regione è nota come sito attivo, si
occupa di prendere contatto con il substrato e di portare a
termine la reazione.
sito attivo
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GLI ENZIMI
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La maggior parte degli enzimi presenta una
notevolissima specificità per la reazione catalizzata e
per i substrati coinvolti.
Tale specificità è legata a diversi fattori che
caratterizzano l'associazione tra il substrato ed il
sito attivo, come:
la complementarietà dal punto di vista strutturale,
le cariche elettriche,
la natura idrofilica o idrofobica.
…si giustifica così l’esistenza di due modelli di
adattamento enzima-substrato!
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GLI ENZIMI
Suggerito da Hermann Emil Fischer nel 1894, secondo
il quale l'enzima ed il substrato possiedono una forma
esattamente complementare che ne permette un
incastro perfetto.
Tale modello è detto chiave-serratura
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GLI ENZIMI
Nel 1958 Daniel Koshland propose una modifica del
modello chiave-serratura: dal momento che gli enzimi
sono strutture relativamente flessibili, egli suggerì
che il sito attivo potesse continuamente modellarsi in
base alla presenza o meno del substrato.
Come risultato, il substrato non si lega semplicemente
ad un sito attivo rigido, ma genera un rimodellamento
del sito stesso, che lo porta ad un legame più stabile
in modo da portare correttamente a termine la sua
attività catalitica
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GLI ENZIMI
Inibizione Enzimatica
Gli inibitori enzimatici sono sostanze in grado di diminuire o
annullare l'azione catalitica di un enzima.
Possono agire legandosi al sito attivo competitivamente al
substrato (inibizione. competitiva) o legandosi ad un sito
allosterico.
L’inibizione può essere:
- Reversibile
Competitiva
Non Competitiva
- Irreversibile.
Gli inibitori irreversibili solitamente modificano
covalentemente l'enzima, e l'inibizione non
può essere pertanto successivamente neutralizzata.
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GLI ENZIMI
Regolazione Enzimatica
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La cellula è in grado di controllare l'attività degli enzimi in
almeno cinque modalità principali:
Produzione degli enzimi: La trascrizione e la sintesi proteica dei geni
relativi agli enzimi sono controllati con i comuni meccanismi che
regolano l'espressione genica.
Compartimentalizzazione degli enzimi: L'utilizzo di vescicole ed
organelli da parte della cellula
Feedback negativo: I prodotti finali di un pathway metabolico sono
spesso inibitori dei primi enzimi della stessa via metabolica, regolando
così l'intero flusso della via metabolica.
Modificazioni post traduzionali: La fosforilazione, la glicosilazione
sono alcune possibili modificazioni che i singoli amminoacidi di un
enzima possono subire in seguito alla sua traduzione
Attivazione in ambienti differenti da quelli di produzione.