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. La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI - I 4 Macroelementi più importanti sono: Idrogeno Azoto Carbonio Ossigeno La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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). La Chimica dei Viventi 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). La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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%. La Chimica dei Viventi 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). La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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) La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI Forze di Induzione (di Debye) La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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: La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi LE INTERAZIONI DEBOLI Energia cinetica media relativa ai moti di traslazione delle molecole a temperatura ambiente: 3,7 kJ. mol-1 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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). La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Essenzialmente si riconoscono quattro famiglie o classi di molecole organiche: - Carboidrati - Lipidi - Amminoacidi e Proteine - Nucleotidi e Acidi Nucleici La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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). La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Se il gruppo carbonilico è situato all’interno della molecola (a formare un gruppo chetonico) lo zucchero è un Chetoso La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Se il gruppo carbonilico è situato ad una estremità, forma un gruppo aldeidico e la molecola è un aldoso. Es: Glucosio La Chimica dei Viventi 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) La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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--) La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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!! La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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). La Chimica dei Viventi LE MOLECOLE ORGANICHE Secondaria Incomincia il processo di conformazione della molecola Si riconoscono 2 tipi di struttura secondaria: Alfa-elica Beta-foglietto La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi GLI ENZIMI - 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! La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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 La Chimica dei Viventi 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. La Chimica dei Viventi GLI ENZIMI Regolazione Enzimatica 1. 2. 3. 4. 5. 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.
