Organizzazione di un organismo vivente Organismo multicellulare Tessuto Cellula Organismo unicellulare Organuli ambiente extracellulare parete cellulare Complessi sopramolecolari Macromolecole biologiche citosol Molecole organiche Ioni e piccole molecole inorganiche Organizzazione di una cellula procariotica 1 mm (10-6m) Organizzazione di una cellula eucariotico La cellula procariotica La cellula eucariotica membrane ribosome Sistemi biologici - dimensioni complessi macromlecole sopramolecolari cellule tessuti ed organismi Microscopia ottica Microscopia elettronica Cristallografia raggi X / Risonanza magnetica SAR (Structure Activity Relationship) Forma nativa ben definita Complementarietà di forma Interazione fra biomolecole Variazione nella struttura molecolare Variazione dell’attività molecolare Effetto cellulare Effetto tessutale interazioni deboli intramolecolari Impalcatura covalente ripiegamento interazione forma amorfa (disordinata) forma ‘nativa’ (strutturata) interazioni deboli intermolecolari Legami ed interazioni chimiche nelle biomolecole Legami deboli Legami forti - - interazioni normalmente irreversibili impalcature molecolari Legami covalenti interazioni reversibili interazioni fra molecole Legami non-covalenti Legami forti: legami covalenti (nelle molecole organiche) singolo doppio triplo principali tipi di legame covalente nelle biomolecole C 300-400 kJ/mole H C C C C O O H C N N H S S H S S S M O N O P O M N M C = Carbonio H = Idrogeno O = Ossigeno N = Azoto S = Zolfo P = Fosforo M = ione metallico (Fe, Zn, Cu, Ni, Ca ecc.) Principali gruppi funzionali chimici nelle biomolecole Amminoacidi Nucleotide gruppo sulfidrilico gruppo carbonilico gruppi amminici (1°, 2°) (basici) gruppo fosfato anello aromatico (eteroaromatico) gruppo carbossilico (acido) gruppo ammidico gruppi idrossilici Eme centro di coordinazione metallico –COOH –NH2 –COO – –NH3 + Struttura delle biomolecole - conformazione e configurazione due conformazioni (facilmente intercambiabili) due configurazioni (difficilmente intercambiabili) trans cis 2) Legami deboli: legami elettrostatici (legami ionici / ponti salini) - attrazioni fra gruppi con cariche opposte - :::::: + - legami relativamente deboli e reversibili - molto dipendenti dall’ambiente (più deboli in acqua che in un ambiente organico) in acqua D = 80 F 4-7 kJ/mole in cicloesano D = 4 F > 200 kJ/mole 3) Legami deboli: legami idrogeno (legami-H) - condivisione di un protone fra due gruppi chimici (proton donatore e proton accettore) R-OH O=R -CH3 - legami deboli e facilmente reversibili 4-30 kJ/mole - altamente dipendenti dalla distanza e direzione -O-H --- O=R- -O-H O=R- Proton donatore legami-H fra le basi del DNA Proton accettore legami-H fra gruppi amminici/di e carbonili negli amminoacidi Regola: le macromolecole biologiche tendono a formare il massimo numero di legami-H possibile (fra loro gruppi proton-accettori/-donatori o fra questi e molecole d’acqua) 4) Legami deboli: Forze attrattive di van der Waals (VDH) - interazioni non-specifiche fra dipoli transienti negli atomi di carbonio - - + + C C - legami molto deboli e facilmente reversibili - diventano importanti solo se coinvolgono moltissimi atomi e interazioni (macromolecole biologiche) superficie molecolare - richiedono complementarità di forma fra estese superfici molecolari superficie molecolare 5) Legami deboli: interazioni idrofobiche - dovute alla polarità e alla coesione dell'acqua - molecole apolari (incapaci di formare legami-H) si aggregano per: • minimizzare la superficie esposta all’acqua • permettere la formazione del massimo numero di legami-H nell’ambiente acquoso • aumentare l’entropia del solvente (H20) entropia aumentata entropia elevata entropia ridotta Alcune regole per la strutturazione delle macromolecole 1) Le macromolecole biologiche sfruttano la libertà conformazionale per accedere alla struttura più stabile 2) Interazioni idrofobiche lungo la catena di residui che le compongono favoriscono la formazione di strutturi compatti poiché questo riduce l’area di superficie molecolare apolare esposta al solvente acquoso 3) Nella struttura finale si forma il massimo numero possibile di legami-H 4) Legami elettrostatici e di VDW contribuiscono a rendere più stabile la struttura 5) La struttura finale è quella termodinamicamente più stabile (con minore energia) • Per un processo od una reazione chimica; • G negativa – reazione spontanea G = H - TS • G positiva – reazione sfavorita • G = 0 – reazione ad equilibrio • ATP (adenosina trifosfato): elevato potenziale di trasferimento per gruppi fosfato ATP + H20 ATP + H20 E1 E2 ADP + P + H+ G° ~ -30 kJ/mole AMP + P P + H+ G° ~ -32 kJ/mole E3 P P + H20 2 P + H+ G° ~ -33 kJ/mole • Una reazione sfavorevole può essere spinta dall’accoppiamento con un’altra reazione con G negativo A ATP + H20 A + ATP + H20 B ADP + P + H+ B + ADP + P + H+ G +16 ki/mole G G -30 kJ/mole -14 kJ/mole Ioni e molecole di rilevanza biologica IONI • elettroni e protoni: e- / H+ • SALI: Na+, K+, Ca++, Mg++ (Cl-) • IONI MINERALI: Mn++, Fe++ e Fe+++, Co+,++,+++, Zn++, Cr++,+++, Cu+, Mo, Se(presenti come tracce in enzimi, proteine di trasporto, vitamine etc.) MOLECOLE INORGANICHE H20 (>70% del peso della maggior parte degli organismi solvente che modula la struttura/interazioni/reazioni delle biomolecole) • O2 (fotosintesi, processi metabolici) • CO2, NH3, NO3- ,NO, N2 (processi metabolici) Metaboliti, signalling • HPO42- H2PO4- H3PO4 ( Pi = ortofosfato = fosfato inorganico) • HP2O73- ( PPi = pirofosfato) P P P Fabbisogno (RDA): ~ Na 2.4g, K 3.5g, Ca 1g, Mg 0.4g, P 1g, Fe 18mg, Zn 15mg, Cu 2 mg, Se/Mo 75 mg Fonti principali: Na - sale; K – Verdure, frutta, noci; Ca – latticini, legumi, verdure; Mg – verdure; Fe, Co, Cr, Se – carne e verdure BIOMOLECOLE ORGANICHE le principali classi di molecole organiche di rilevanza biologica sono: • AMMINOACIDI • CARBOIDRATI (Glucidi; zuccheri ed altri metaboliti) • NUCLEOTIDI • MOLECOLE LIPIDICHE (acidi grassi e molecole derivate, steroidi) • COENZIMI (derivati da vitamine) e COFATTORI (ioni metallici) Molecole delle prime quattro classi sono anche unità costitutive di macromolecole biologiche (proteine, acidi nucleici, fosfolipidi...) Precursori inorganici 18-64 d CO2, H2O N2, O2, NH3 Metaboliti organici 50-150 d piruvato, citrato ecc. Unità costitutive 100- 350 d amminoacidi nucleotidi, glucidi acidi grassi glicerolo Macromolecole biologiche 103-109 d proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, lipidi Complessi supra_ molecolari 106-109 d ribosomi, citoscheletro, virus, compl.multienzimatici interazioni deboli intramolecolari Impalcatura covalente ripiegamento interazione forma amorfa (disordinata) forma ‘nativa’ (strutturata) interazioni deboli intermolecolari Alcune regole per la strutturazione delle macromolecole 1) Le macromolecole biologiche sfruttano la libertà conformazionale per accedere alla struttura più stabile 2) Interazioni idrofobiche lungo la catena di residui che le compongono favoriscono la formazione di strutturi compatti poiché questo riduce l’area di superficie molecolare apolare esposta al solvente acquoso 3) Nella struttura finale si forma il massimo numero possibile di legami-H 4) Legami elettrostatici e di VDW contribuiscono a rendere più stabile la struttura 5) La struttura finale è quella termodinamicamente più stabile (con minore energia) AMMINOACIDI catena laterale struttura carbonio gruppo -amminico R H2N C COOH idrogeno gruppo -carbossilico H stereochimica Configurazione D Configurazione L • Gli AmminoAcidi (AA) sono unità costitutive delle proteine • Ci sono 20 diversi amminoacidi proteinogenici (tutti con configurazione L) • Possiamo suddividerli in diversi gruppi a secondo delle caratteristiche chimico-fisiche delle loro catene laterali AMMINOACIDI catena laterale struttura carbonio gruppo -amminico H H R H C L R C COOH H2N gruppo -carbossilico H2N C COOH idrogeno stereochimica R configurazioni H2N COOH D • Gli AmminoAcidi (AA) sono unità costitutive delle proteine • Ci sono 20 diversi amminoacidi proteinogenici (configurazione L) • Possiamo suddividerli in 7 gruppi a secondo delle caratteristiche chimicofisiche delle catene laterali 1) AMMINOACIDI CON CATENE LATERALI ALIFATICHE HN CH3 H C CH3 O C C CH CH3 alanina Ala (A) valina Val (V) Idrofobico nm idrofobico nm CH3 C CH2 CH CH3 CH2 CH3 C CH CH3 leucina Leu (L) isoleucina molto idrofobico nm molto idrofobico nm Ile (I) catene laterali idrofobiche catene laterali chimicamente inerti e quindi non modificabili (nm) partecipano solo ad interazioni idrofobiche e di VdW. 2) AMMINOACIDI CON CON CATENE LATERALI AROMATICHE HN H C CH 2 C CH 2 OH C CH2 NH ~C=O fenilalanina Phe (F) molto Idrofobico nm debole assorbimento della luce a ~ 250nm tirosina Tyr (Y) moderatamente idrofobico m triptofano Trp (W) molto idrofobico m (ox, Br) P 280 nm assorbe luce ~ 280 nm ed è fluorescente Partecipano ad interazioni idrofobiche e di VdW. La catena laterale di Phe è idrofobica ed inerte (nm). Tyr e Trp partecipano a legami-H e sono suscettibili a modificazioni chimiche (m) (Tyr per fosforilazione - importante, Trp per ossidazione, brominazione) 3) GLICINA e PROLINA ridotta libertà di rotazione ~HN poco ingombro sterico elevata libertà di rotazione H C H ~C=O glicina Gly (G) nm residuo flessibile N C H C O prolina Pro (P) ~m residuo rigido importanti caratteristiche strutturali (flessibilità/rigidità) lievemente idrofilici (polari) la catena laterale di Pro è inerte ma può essere idrossilata da specifici enzimi (~m). 4) AMMINOACIDI CON CATENE LATERALI POLARI ~HN H O O C CH 2 OH ~C=O serina C CH CH 3 OH C CH 2 C NH 2 C CH 2 CH 2 C treonina asparagina glutammina Ser (S) Thr (T) Asn (N) Gln (Q) polare m polare m polare m polare P P (O -glicosilazione ) (O -glicosilazione ) NH 2 ( N-glicosilazione) le catene laterali sono polari ed idrofiliche partecipano alla formazione di legami -H Ser, Thr ed Asn possono essere modificati enzimaticamente. La loro fosforilazione e/o glicosilazione hanno importanti conseguenze strutturali nelle proteine chinasi ADP ATP R-OPO32- R-OH HOPO32fosfatasi glucotrasferasi R-OH R-O glicosidasi 5) AMMINOACIDI CON CATENE LATERALI ACIDICHE (ANIONICHE) ~HN O C CH 2 C H O~C=O acido aspartico Asp (D) O C CH2 CH2 C O- acido glutammico Glu (E) anionico (-) anionico (-) pKa = 3.9 m pKa = 4.3 m catene laterali polari cariche negativamente (anioniche) partecipano ad interazioni elettrostatiche ed alla formazione di legami-H possono essere modificate enzimaticamente (m) (amidazione, fosforilazione) e possono chelare con alcuni metalli (es. calcio, zinco, rame) 6) AMMINOACIDI CON CATENE LATERALI BASICHE (CATIONICHE) + ~HN C (CH2 )4 NH3 e ~C=O + H lisina Lys (K) NH NH C (CH2 )3 NH C NH2 C CH2 + arginina Arg (R) cationico cationico pKa = 10 pKa = 12 istidina His (H) neutro /cationico pKa=6.5 m (forma basi di Schiff e legami ammidici ) NH m (forma legami di coordinazione con metalli) catene laterali polari cariche positivamente (cationiche) partecipano ad interazioni elettrostatiche e nella formazione di legami-H Lys è modificabile (m) mediante reazioni enzimatiche o chimiche (base di Schiff His può chelare molto efficientemente con metalli (Fe, Zn ecc.) fosforilazione transiente idrossilazione) 7) AMMINOACIDI CON ATOMI DI ZOLFO ~HN H C CH2 SH C CH2 S S CH2 C C CH2 CH2 S CH3 ~C=O cisteina cistina metionina Cys (C) S-S idrofobico Met (M) idrofobico polare m nm la catena lateraledi Cys è polare mentre la cistina (S-S) è idrofobica Cys partecipa alla formazione di legami covalenti reversibili (ponti disolfuro) che ha importanti conseguenze strutturali nelle proteine. Forma legami di chelazione con metalli Il codone per Met coincide con il codone di Start Leu (L) Ile (I) Ala (A) Val (V) Phe (F) Gly(G) Tyr (Y) Trp (W) Pro (P) legami-H legami elettrostatici Met (M) Ser (S) legami-H legami-H (Y e W) legami elettrostatici legami elettrostatici interaz.VDW interaz. di VDW interaz.idrofobiche interaz. idrofobiche Thr (T) legami elettrostatici interaz. di VDW interaz. idrofobiche legami coordinati (*) *Cys (C) interaz. idrofobiche Asn (N) legami-H Gln (Q) interaz. di VDW Lys (K) Arg (R) His (H) legami-H legami elettrostatici interaz. di VDW interaz. idrofobiche legami coordinati Asp (D) Glu (E) • Questi venti -aminoacidi sono denominati proteinogenici per distinguerli da numerosi altri -aminoacidi non impiegati per la formazione di proteine. • Le catene laterali sono diverse per dimensioni, carica, capacità di formare legami idrogeno e reattività chimica. • La diversità e la versatilità di queste 20 unità attribuisce alle proteine una grande varietà di strutture e funzioni. • Nell’uomo esistono vie metaboliche solo per la sintesi di una decina di questi aminoacidi; gli altri debbono provenire dalla dieta e sono considerati “essenziali”: (Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val e nei bambini anche His e Arg). • Non abbiamo la capacità di immagazzinare gli amminoacidi (eccetto che nelle proteine muscolari o del siero, utilizzabili in caso di digiuno prolungato) CARBOIDRATI es. gli zuccheri (saccaridi, glucidi): Aldeidi o chetoni con gruppi idrossilici multipli H aldosi D-gliceraldeide chetosi O H C C OH O CH2 OH CH2 OH zuccheri: CH2 OH diidrossiacetone C zuccheri …osio …ulosio (4,5 C) e i loro derivati: alcolici CH 2 O H CH O H CH 2 O H D-glicerolo amminici desossi HO CH 2 H O H H H OH OH H D- desossiribosio OH CH 2 O H O OH OH H H H H NH 2 b- D -galattosammina fosfoesterici CH O P O Base CH OH C H2 OPO32 gliceraldeide -3-fosfato P acidi nucleici Le fonti principali di carboidrati nella dieta sono l’amido (origine vegetale, composto da amilosio e amilopectina, abbondante in legumi, tuberi e cereali) e glicogeno (cellule animali). Altra fonte di glucidi è la cellulosa (ma non per l’uomo). Gran parte degli organismi utilizzano il glucosio come fonte principale di energia. Altri zuccheri come il fruttosio e galattosio, per poter essere utilizzati, devono essere trasformati. SACCARIDI (zuccheri, glucidi): Aldeidi o chetoni con gruppi idrossilici multipli Formula generale: (CH2O)n H O C HO C* H CH2 OH L-gliceraldeide • H (CH2O)n O 1 C 2 C* OH 3 H CH2 OH D-gliceraldeide idrato del carbonio (carboidrato) CH2 OH 1 C 2 O CH2 OH 3 diidrossiacetone La configurazione è determinata dalla proiezione del carbonio chirale più distante dal gruppo ossidrile • La configurazione D domina in natura ma non in maniera assoluta MONOSACCARIDI: triosi, tetrosi, pentosi, esosi, eptosi (soln. acquosa) Forma lineare H Forma ciclica 6 CH 2OH O 1 C O H C OH HO C H H C OH H C * OH 6 CH 2OH C OH OH H C OH C C C 1 O HO OH anomeri OH 6 CH OH 2 CHOH O carbonio anomerico HO 5 O C 5 CH 2--OH H C OH H C OH H C * OH 5 CH2OH D-ribosio PIRANOSIO 6 atomi (5C + O) OH FURANOSIO 5 atomi (4C + O) 1 D-glucosio 1 1 HO CH2OH 6 H OH OH C HO OH H OH C C C 1 O OH anomeri HO HO OH O OH PIRANOSIO OH 5 CH 2OH O OH FURANOSIO HO OH carbonio anomerico (riducente) 5’ Nucleotidi e Nucleosidi P CH 2 Base O 4’ H OH Citosina (C) Pirimidine H 3 N 5 2 O N Z 6 1 N R’ 5 2 O N Z Guanina (G) NH2 4 3 H, OH Adenina (A) O 4 R Purine Timina (T) R’= C H 3 Uracile (U) R’= H NH2 D-ribosio 2’ 3’ BASI AZOTATE: 1’ H 6 1 6 1 N 5 O H N7 6 1 8 2 3 N 4 N Z N 5 8 2 9 N7 H2N 3 N 4 N Z 9 NUCLEOSIDI: BASE + RIBOSIO ADENOSINA CITIDINA GAUNOSINA TIMIDINA URIDINA NH 2 SYN N N 5 HO CH2 N O 4 N 1 2 3 OH NUCLEOTIDI: OH BASE + RIBOSIO FOSFATO P O OO P O O O- POLIMERO (DNA/RNA) P BASE P P P O OH B B ENERGIA ATP,CTP,GTP,TTP,UTP ENERGIA COENZIMI OH H/ O H P O B MESSAGGERO INTRACELLULARE I nucleotidi sono sintetizzati de novo a partire dal ribosio (zucchero) e dalle basi azotate, che derivano da tre amminoacidi (Gly, Gln e Asp). COENZIMI Coenzima Coenzima stechiometrico catalitico -OH + ATP CE1 -O P + ADP E1 substrato co-substrato enzima con coenzima prodotto co-prodotto E2 ADP + Pi ATP • Un catalizzatore partecipa nella reazione ma non ne viene modificato • È presente a concentrazioni anche molto inferiori a quelle del substrato • Il cosubstrato invece deve avere una concentrazione almeno uguale a quella del substrato • Viene ricostituito ad opera di un altro enzima ATP (Adenosina trifosfato) Legame fosfoanidrico • Il ciclo ATP-ADP-AMP è il modo fondamentale per lo scambio di energia nella cellula Mg++ • ATP è un donatore immediato di energia con un elevato potenziale di trasferimento di Pi o PPi (separazione e delocalizzazione delle cariche) • Il trasferimento avviene solo in reazioni catalizzate da enzimi (En = chinasi) • Pi è intercambiabile con altri nucleotidi (CTP, GTP, UTP) • Molecole come la fosfocreatina nelle cellule del muscolo, hanno un potenziale di trasferimento di Pi superiore a quello di ATP e possono ricostituirla ATP + H20 ATP + H20 PPi + H20 E1 E2 E3 ADP fosfocreatina ADP + Pi + H+ AMP + PPi + H+ 2Pi ATP + H+ nicotinammide (derivato dall’acido nicotinico / niacina) NAD+ adenosina difosfato (ADP) E2 + E1 H + 2e OR .. ribosio R = H NAD+ • NAD+ partecipa in reazioni del tipo R = PO42- NADP+ + NAD+ NADH trasferimento e- catalizzato da deidrogenasi Nicotinammide adenin dinucleotide (NAD+) e dinucelotide fosfato (NADP) + NADH + H+ • NADH è un trasportatore di elettroni in reazioni di ossido-riduzione utilizzate principalmente per scopi bioenergetici. (H+ + 2e- H- ione idruro) • NADPH è un trasportatore di elettroni in reazioni di ossido-riduzione utilizzate principalmente in biosintesi riduttive. es.. R2C=O + 2NADPH R2CH2 FAD (flavin adenin dinucleotide) e FMN (flavin mononucleotide) FAD forma ossidata D-ribitolo riboflavina (vit. B2) flavin mononucleotide (FMN) H+ + e- FADH AMP • flavina • FAD è un trasportatore di elettroni in reazioni di ossido-riduzione + - semichinone (2H + 2e ) R–CH2 – CH2 –R’ + FAD R–CH = CH –R’ + FADH E • L’anello isoalloossazinico può accettare 1 o 2 elettroni H+ + e- FADH2 • FAD si lega non-covalentemente ma saldamente a specifici enzimi. FMN si lega covalentemente a residui negli enzimi del quale è cofattore forma ridotta anello isoalloossazinico Coenzima A (CoA) 4-fosfopanteina trasportatore attivato di unità bicarboniose acido pantotenico b-mercaptoetilammina acido panotenico (vitamina B5) legame tioestere gruppo acetile gruppo acetile (o acile) E 3’,5’-ADP CH3CO- G - 30 kJ/mol Acetil-CoA O RCH2 – C –S – -idrogeno O Colina acetilcolina 1) acil-CoA ha un elevato potenziale per il trasferimento di gruppi acile (2) RCH – C –S – - 2) attiva C per la rimozione dell’-idrogeno MOLECOLE LIPIDICHE Acidi grassi – costruiti da unità di acetato (CH3CO- da AcCoA) idrocarburi 2 molecola anfipatica cis trans molecole derivate da isoprene isoprene squalene (triterpene / poliisoprene) colesterolo Alcuni acidi grassi non sono sintetizzati dai mammiferi ma sono necessari per la vita (acidi grassi essenziali) e devono essere assunti con la dieta, principalmente da fonti vegetali. Appartengono a due classi, omega 3 (es. acido linolenico) e omega 6 (es. acido linoleico). Dall’acido linolenico, viene sintetizzato l’acido arachidonico, precursore delle prostaglandine acidi grassi - caratteristiche e nomenclatura Nome comune N° di carboni Nome IUPAC N° di doppi legami posizione doppi legami w acidi grassi essenziali n -tetradecanoato n -esadecanoato n -ottadecanoato 9-ottadecenoato 9,12-ottadecenoato 9,12,15-ottadecenoato riferimento al carbonile rif. a w 14:0 16:0 18:0 18:1 9 18:2 9,12 18:3 9,12,15 18:1 ( w -9) 18:2 ( w -6) 18:3 (w -3)