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biochimica iusm
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Lezioni di Biologia 1
L’ACQUA E LE SOLUZIONI
La molecola di H2O
H O H
δ - δ -
H – O – H O O
180 ° H H Hδ+ δ+ H
104°
Orient. teorico Orient. reale Carica
H2O – Stato fisico e proprietà
Lezioni di Biologia 2
Gas Assenza di legami H
Calore di evaporazione: quantità di energia termica necessaria per far passare 1 g di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso
Calore specifico: quantità di energia termica necessaria per far aumentare di 1°C la temperatura di 1 g di una sostanza
Sono entrambi elevati nell’acqua a causa dei legami HGhiaccio Reticolo cristallino ordinato, grazie a legami H
stabilizzati e numerosi.
Ampi spazi vuoti galleggiamento
H2O – Stato fisico e proprietà
H2O – Stato fisico e proprietà
Liquido Legami a idrogeno più labili, meno numerosi
(16%). Reticolo collassa, spazi vuoti invasi, aumento
densità. Forza residua legami H sufficiente a
determinare:
Alto calore specifico Stabilità termica
Coesione Tensione superficiale
Adesione Capillarità
Potere solvente Mezzo delle soluzioni (reazioni)
Lezioni di Biologia 3
H2O – Stato fisico e proprietà
H2O come solvente
H2O determina solvatazione (idratazione) di sostanzeidrofile:� Composti ionici (sali, come NaCl)� Composti covalenti polarizzati (acidi)� Composti polari (alcoli)
I composti idrofobi (apolari) sono insolubili in H2O
I composti anfipatici si comportano in modo sia idrofili che idrofobo, avendo una porzione apolare e una porzione polare
Lezioni di Biologia 4
Acqua pura: dissociazione parziale concentrazioni equivalenti:
[H+] = [OH
-] pH = 7 Neutro
Acqua pura + Acido (donatore di protoni: HCl→H++Cl-; H2SO4 →H++ HSO4-)
[H+] >[OH
-] pH tra 1 e 7 Acido
,
Acqua pura + Base (accettore di protoni: NaOH →Na++OH- ; KOH →K++OH- ;
NH3 + H2O→ NH4+ +OH- )
[ H+] < [OH
-] pH tra 7 e 14 Basico
ione idrogeno ione ossidrile
Dissociazione di H2O H+ + OH-
Acidi e Basi
[H+] + [OH-] = 10-7 + 10-7 = 1 x 10 -14
pH: logaritmo negativo , in base 10, della concentrazione degli ioni idrogeno [H+], espressa in moli per litro
H2O distillata: [H+] = [OH-] = 1/107 = 10-7
Il logaritmo negativo , in base 10, di 10-7 è 7
Al crescere della concentrazione di ioni H+ (es. 1/106; 1/104, ecc) (↓ OH-) , il valore di pH diminuisce (6, 4, ecc.)
Al diminuire della concentrazione di ioni H+ (es. 1/108; 1/1011, ecc) (↑OH-) , il valore di pH aumenta (8, 11, ecc.)
Lezioni di Biologia 5
Scala di pH
Molte reazioni chimiche (e biochimiche) sono influenzate
dall’acidità della soluzione in cui esse avvengono.
Affinché una reazione possa avvenire, o possa avvenire con
una determinata velocità si deve controllare il pH al quale la
reazione avviene
Il pH nei viventi è mantenuto costante ≅≅≅≅ 6-8 (stomaco ≅≅≅≅ 2)
mediante sistemi tampone
Sistemi tampone
composti donatori e accettori di H+ (tipicamente, acidi deboli)
H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3
-
pH e Sistemi Tampone
Acido carbonico
Ione bicarbonato
H+
+ OH-
H2O
H2CO3H+ + HCO3
-
Lezioni di Biologia 6
LA COMPOSIZIONE CHIMICA DEI VIVENTI
Chimica del Carbonio
Lezioni di Biologia 7
Chimica del Carbonio
Legami covalenti semplici e doppi
Lezioni di Biologia 8
� Alcolico/Ossidrile (-OH) R-OH Alcoli
� Carbossilico (-COOH) R-COOH Acidi
� Amminico (-NH2) R-NH2 Ammine
Gruppi funzionali
Gruppo funzionale Ossidrile o
Alcolico (-OH)
R-OH = Alcoli
CH3OH =Alcol metilico
H
H
H
OHCFormula di struttura
Lezioni di Biologia 9
Gruppo funzionale Carbossilico (-COOH)
= Gruppo carbossilico
R-COOH = Acidi organici
CH3COOH = Acido acetico
C
H
H
H OHC →
OFormula di struttura
OHC
O
H
H
H O-C
OC
+ H+
Gruppo funzionale Carbonilico (-CO)
= Gruppo aldeidico
= Gruppo chetonicoC C
O
HC
O
C
Lezioni di Biologia 10
Gruppo funzionale Amminico (-NH2)
= Gruppo amminico
R-NH2 = Ammine
CH3NH2 = Metilammina
HN
H
Formula di struttura
H
H
H
CH
NH
+ H+ →
H
H
H
CH
NHH +
La composizione dei viventi
Lezioni di Biologia 11
Gli organismi viventi sono formati dagli stessi elementi della
materia non vivente, ma in proporzioni completamente differenti
Composizione media di una cellula% in peso
Acqua (=solvente) ≅ 70
Soluti (= residuo secco) ≅ 30 di cui:
95% = composti organici
Acidi nucleici ≅ 15
Proteine ≅ 7
Glucidi ≅ 3
Lipidi ≅ 2
Vitamine, ATP ≅ 0.5
5% = ioni inorganici ≅ 1
(Na+, K+, Cl-)
Lezioni di Biologia 12
(Glicidi - Carboidrati - Zuccheri)
�Monosaccaridi
� Disaccaridi
Oligosaccaridi
� Polisaccaridi
Glucidi
Formula generale Cn (H2O) n
n = 3-7 [Triosi, Tetrosi, Pentosi, Esosi, ...]
MONOSACCARIDI
Lezioni di Biologia 13
Carboidrati
Polimeri di zuccheri
Anello alfa (α) Anello beta (β)
Struttura semplificata del glucosio α
Struttura semplificata del glucosio β
Il gruppo aldeidico del
glucosio (C glicosidico)
reagisce con il 5°atomo
di C e la molecola diviene
ciclica assumendo due
possibili configurazioni: α e β
Monosaccaridi
Glucosio
Lezioni di Biologia 14
H
H C OH
C O
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H
1
25
4 3
CH2OHO
Monosaccaridi
Fruttosio
CH2OH6
Ribosio e
Deossiribosio
Lezioni di Biologia 15
H C OH OH C H H C O C H
Legame disaccaridico
Saccarosio Glucosio-Fruttosio legame α 1-2
Lattosio Galattosio-Glucosio legame β 1-4
Maltosio Glucosio-Glucosio legame α 1-4
Cellobiosio Glucosio-Glucosio legame β 1-4
naturali
prodotti di
demolizione
di polisaccaridi
H2O
DISACCARIDI
Omopolisaccaridi
� Cellulosa
� Amido Lineare = Amilosio
� Glicogeno Ramificato = Amilo-pectina
Eteropolisaccaridi
� Mucopolisaccaridi
POLISACCARIDI
Lezioni di Biologia 16
Cellulosa n[Glu - Glu β 1 - 4] = n (cellobiosio)
Amido n[Glu - Glu α 1 - 4] = n (maltosio)
Glicogeno n[Glu - Glu α 1 - 4] = n (maltosio)
αααα 1 - 6 nelle porzioni ramificate
Lipidi
Classe di molecole che formano sostanze untuose,insolubili in solventi acquosi, associate a strutture efunzioni diverse
Funzioni
Riserva energetica: 9.3 kcal/g (contro le 3.8 kcal/gdei glucidi)
Componenti strutturali: membrane, tessuto nervoso
Metabolismo: Vitamine (A, E), Colesterolo
Ormoni: Cortisolo, Steroidi (estrogeni, testosterone,ecc.)
Lezioni di Biologia 17
Acidi grassi
CH3 saturi: non sono presenti doppi legami(es: n=14, ac.PALMITICO;
(CH2)n n=16, ac.STEARICO) animali; solidi
COOH insaturi: sono presenti doppi legami
(es: CH3 -(CH2)7 – CH=CH-(CH2)7- COOHn=18, ac.OLEICO) vegetali; liquidi
Lipidi semplici Acidi grassi
Lipidi semplici Acidi grassi
Lezioni di Biologia 18
Trigliceridi (=grassi)
O
R1 C OH HO CH2
O
R2 C OH HO CH
O
R3 C OH HO CH2
Acidi grassi + Glicerolo Trigliceride (estere)
O
R1 C O CH2
O
R2 C O CH
O
R3 C O CH2
esterificazione
-3 H2O
+3 H2O
idrolisi
Lipidi semplici Trigliceridi
Lipidi Semplici
Trigliceridi
Lezioni di Biologia 19
CH2 O GPO
R2 C O CH
O
R3 C O CH2
molecole anfipatiche
• lunghe code apolari, idrofobe (R)
• testa polare, idrofila (gruppo fosfato, zucchero )
Lipidi complessiFosfolipidi
Lipidi complessiFosfolipidi
Lezioni di Biologia 20
Lipidi complessi
Sfingolipidi e Cerebrosidi
Teste idrofile
Code idrofobe
a
Quando le molecole anfipatiche
vengono immerse in un mezzo
acquoso (come l’interno e l’esterno
della cellula) tendono a disporsi in
modo da escludere le parti idrofobe
dal contatto con l’acqua
Questo comportamento è alla base
della struttura delle membrane
biologiche che sono costituite da un
doppio strato di fosfolipidi
Lipidi complessi
Lezioni di Biologia 21
Lipidi Steroidi
Glucosio Saccarosio Colesterolo
Acido oleico Ac. α Linoleico Testosterone
Sfingomielina
Lezioni di Biologia 22
PROTEINE
Le proteine sono le macromolecole
da cui dipendono tutte le attività
della cellula
� Eterogeneità nella forma
� Eterogeneità nella funzione
� Altissima specificità
Lezioni di Biologia 23
MODELLO TRIDIMENSIONALE DI
DUE PROTEINE ENZIMATICHE
MODELLO TRIDIMENSIONALE
DELLA MIOSINA
Lezioni di Biologia 24
Modello
tridimensionale
dell’actina
Macromolecole complesse e altamente variabili
Funzioni
� strutturale (componenti strutturali della cellula)
� funzionale (enzimi, ormoni, proteine di trasporto)
Composte da unità molecolari, gli amminoacidi
prevalentemente introdotti con l’alimentazione
(digestione delle proteine) e organizzati dal DNA in
polipeptidi nel processo di sintesi proteica.
Hanno valore energetico (ca 4 kcal/g), ma l’organismo
utilizza a questo scopo le proprie proteine solo in
condizioni critiche.
Proteine
Lezioni di Biologia 25
Amminoacidi
R
H O
N C C
H OH
H
-H = Glicina
-CH3 = Alanina
…
Esistono in natura
20 differenti tipi
di amminoacidi,
che si distinguono
per il gruppo R
Parte variabile R
Proteine
Gli aminoacidi differiscono per la dimensione e
polarità dei gruppi R
Lezioni di Biologia 26
Gli aminoacidi differiscono per la dimensione e
polarità dei gruppi R
Legame peptidico
R1
H O
N C C
H OH
H
R2
H O
N C C
H OH
H
R3
H O
N C C
H OH
H
-H2O-H2O
...
Proteine
Lezioni di Biologia 27
R1 O-
H
N C C
H
H
R2 O-
N C C
H+ H
R3 O-
N C C
H+ H
...
Polipeptide
Estremità amino-terminale
Estremità carbossi-terminale
H H
N
C
HO O
Proteine
Nella sintesi biologica delle proteine sono
utilizzati esclusivamente gli L- aminoacidi
Lezioni di Biologia 28
Livelli di organizzazione
� Struttura primaria Successione aa polipeptide
� Struttura secondaria Ripiegamenti spaziali polipeptide (p.es. α- elica, β-foglietto)
� Struttura terziaria Stabilizzata da interazioni idrofobe
(globulare enzimi) e in alcune proteine da ponti
disolfuro (S-S)
• Struttura quaternaria Aggregazione di più subunità(p.es. Hb: 4 subunità)
Esempi di proteine: collagene (ossa, tendini, cartilagini),
cheratina (capelli, unghie), actina-miosina.
Proteine
Lezioni di Biologia 29
Lezioni di Biologia 30
La struttura terziaria di una proteina dipende dalla
sua struttura primaria
La struttura quaternaria è
il risultato di interazione tra
più catene polipeptidiche
Lezioni di Biologia 31
Le interazioni tra proteine diverse dipendono dai legami tra
residui R degli aminoacidi superficiali
Proteine semplici
Classe
� Albumine
� Globuline
� Sieroproteine
� Istoni
� Protamine
� Gluteline
Le proteine semplici
sono costituite solo
da aminoacidi
Proteine
Lezioni di Biologia 32
Proteine coniugate
Le proteine coniugate (o complesse) sono costituite da sequenzeaminoacidiche combinate con uno o più gruppi “prostetici”
Classe Gruppo prostetico
� Glicoproteine Carboidrati
� Lipoproteine Lipidi
� Fosfoproteine Gruppi fosfato
� Emoproteine Gruppi eme
� Flavoproteine Nucleotidi flavinici
� Metalloproteine Ioni metallici
� Nucleoproteine Acidi nucleici
Proteine
ACIDI NUCLEICI
Acido DesossiriboNucleico – DNA
Acido RiboNucleico - RNA
Lezioni di Biologia 33
Il nucleoside è composto da una base azotata e dauno zucchero pentoso (a 5 atomi di C):
�Ribosio nell’acido Ribonucleico, RNA
�Deossiribosio nell’acido Deossiribonucleico, DNA
Nucleotide = Nucleoside + Gruppo Fosforico
Polinucleotide catena derivante dall’unione di più nucleotidi
ACIDI NUCLEICI = POLINUCLEOTIDI
Basi Azotate
PurinicheAdenina
Guanina
Timina (solo nel DNA)
Uracile (solo nel RNA)
Citosina
Pirimidiniche
Lezioni di Biologia 34
Basi Puriniche (dalla Purina)
Zuccheri
Basi Pirimidiniche (dalla Pirimidina)
Basi Azotate e Zuccheri Pentosi
Adenina (A) Guanina (G)
Citosina (C) Timina (T) Uracile (U)
Ribosio 2’- deossiribosio
Zucchero
Zucchero
Zucchero
Zucchero
Base
Base
Base
Base
Estremità 5’
Estremità 3’
Acidi nucleiciSi formano x polimerizzazione dei nucleotidi:
Tra il gruppo ossidrilico (3’ del pentoso) di
un nucleotide e il gruppo fosfato (5’) del
successivo si viene a formare un legame
fosfodiestere. Si forma così una catena
polinucleotidica (con direzione 5’ - 3’)
Nucleotide = Nucleoside + FosfatoIl nucleotide (pentoso legato in posizione 1’
con la base azotata e in posizione 5’ con il
gruppo fosfato) tende a legarsi ad altri
nucleotidi formando un acido nucleico.
NB: Gli atomi di Carbonio dello zucchero pentoso vengono numerati da 1 a 5 e contraddistinti con ‘ (1’, 2’ ecc.) per essere distinti dagli atomi di Carbonio della base azotata.
Formazione della catena polinucleotidica
Lezioni di Biologia 35
RNAStruttura base
L’RNA è costituito da un singolo
filamento
Il pentoso dell’RNA è il ribosio
Al posto della Timina,
l’RNA ha un’altra base azotata,
l’Uracile
Ribosio
Ribosio
Ribosio
Ribosio
Uracile
Adenina
Citosina
Guanina
Lezioni di Biologia 36
Struttura del DNA
Il DNA è composto da una
doppia elica (due filamenti
contrapposti). Una scala a pioli
in cui i montanti sono costituiti
dal deossiribosio e dai gruppi
fosfato e i pioli dalle basi azotate
(A,T,C,G) appaiate e unite da
legami a H.
L’appaiamento delle basi non
avviene in modo casuale, ma
tra basi complementari
Lezioni di Biologia 37
Complementarietà delle
Basi AzotateCITOSINA – GUANINA C = G
ADENINA – TIMINA A = T
(C/G + A/T) = 1
La distanza tra le basi è di 0,34 nm
Ciascun filamento compie un giro
completo ogni 10 basi = 3,4 nm
1nm=10-9 cm
Il DNA è una doppia elica con le basiall’interno e lo scheletro di zuccherie fosfati all’esterno della molecola
Le basi di filamenti complementari sono unite da legami H (A--T e G---C).
I due filamenti di DNA corrono in direzioni opposte (5’-3’’ e 3’-5’).
2 nm
0,34 nm
3,4 nm
5’3’
5’3’
Estremità3’
Estremità5’
Estremità5’
Estremità3’
Strutturadel DNA
Lezioni di Biologia 38
La sequenza di basi di un’elica determina la sequenza di basi dell’altra
A T A C G C T G
T A T G C G A C
Complementarietà delle
Basi Azotate
3’
3’5’
5’
1,0nm
3,4 nm
0,34 nm
0,34 nm
Idrogeno
Ossigeno
Carbonio
Carbonio e azoto nellebasi appaiate
Fosforo
Solcomaggiore
Solcominore
Impalcaturazucchero-fosfato
3’ 5’
Solcominore
Solcomaggiore
Lezioni di Biologia 39
La catena polinucleotidica singola dell’ RNA
può assumere una struttura secondaria e
terziaria in relazione ai possibili appaiamenti
tra basi complementari