La Chimica dei Viventi I BIOELEMENTI

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1 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.

2 I BIOELEMENTI

3 I BIOELEMENTI I 4 Macroelementi più importanti sono: - Idrogeno - Azoto - Carbonio - Ossigeno

4 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.

5 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).

6 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).

7 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 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.

8 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%.

9 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).

10 LE INTERAZIONI DEBOLI Forze Intermolecolari (spesso indicate come forze di Van der Waals) - Forze di Dispersione (di London) - Interazioni Dipolo-Dipolo - Forze d Induzione d ( di Debye) Interazioni Ione-Dipolo Legami a ponte di Idrogeno

11 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)

12 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

13 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.

14 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.

15 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.

16 LE INTERAZIONI DEBOLI Forze di Induzione (di Debye)

17 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 estremitl estremità negativa dei dipoli dell acqua, l anione l l estremitl 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.

18 LE INTERAZIONI DEBOLI Ioni piccoli come Li+, Na+,, F, 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 energia di idratazione.

19 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.

20 LE INTERAZIONI DEBOLI Condizoni Neccessarie per la formazione di legami ad H: 1. L atomo A deve avere una elletronegatività sufficentemente elevata 2. L atomo A deve avere dimensioni sufficentemente piccole:

21 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.

22 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

23 LE INTERAZIONI DEBOLI Energia cinetica media relativa ai moti di traslazione delle molecole a temperatura ambiente: 3,7 kj.. mol-1

24 LE PROPRIETA DELL ACQUA Le Caratteristiche dell Acqua 1. L Acqua è una molecola notevolmente asimmetrica con l atomo l di O da un lato e i due atomi di H dal lato opposto. 2. Ognuno dei due legami covalenti è molto polarizzato. 3. Tutti e tre gli atomi della molecola d acqua d tendono a formare legami idrogeno.

25 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 l di O di quella vicina. Questa proprietà è particolarmente evidente quando si scalda l acqua, l laddove la maggior parte dell energia termica si consuma per rompere i legami idrogeno.

26 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.

27 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).

28 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.

29 LE MOLECOLE ORGANICHE Essenzialmente si riconoscono quattro famiglie o classi di molecole organiche: - Carboidrati - Lipidi - Amminoacidi e Proteine - Nucleotidi e Acidi Nucleici

30 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.

31 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

32 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).

33 LE MOLECOLE ORGANICHE Se il gruppo carbonilico è situato all interno della molecola (a formare un gruppo chetonico) lo zucchero è un Chetoso

34 LE MOLECOLE ORGANICHE Se il gruppo carbonilico è situato ad una estremità, forma un gruppo aldeidico e la molecola è un aldoso. Es: : Glucosio

35 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 Saccarosio = glucosio + fruttosio -C-O-C- Legame a (1 2)

36 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.

37 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

38 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(1 4) - Ogni 10 unità ci sono punti di ramificazione con legame glicosidico a(1 6). - Il Glicogeno serve come deposito di energia chimica negli animali.

39 LE MOLECOLE ORGANICHE L Amido - Deposito di surplus di energia nei vegetali - Formato da due diversi polimeri: 1) Amilosio= molecola elicoidale,non ramificata, a(1 4) 2) Amilopectina= ramificata (meno del glicogeno, ogni 30 unità) - Depositato sottoforma di granuli nei Plastidi della cellula vegetale

40 LE MOLECOLE ORGANICHE Esistono anche altri tipi di polimeri chiamati di struttura : - La Cellulosa = monomeri di glucosio, B(1 4) - La Chitina = polimero N-acetilglucosammina -Glicosamminoglicani = con struttura a tandem di 2 diversi zuccheri (--( --A-B-A-B--)

41 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.

42 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

43 LE MOLECOLE ORGANICHE Gli acidi grassi sono lunghe catene di idrocarburi non ramificate (idrofobiche)con un unico gruppo carbossilico all estremit 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

44 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!!

45 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

46 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.

47 LE MOLECOLE ORGANICHE Le proteine sono polimeri costituiti di molti monomeri che sono gli Aminoacidi (aa( 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.

48 LE MOLECOLE ORGANICHE Durante la sintesi proteica ogni aa è unito all altro 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 l NH3+ libero sarà chiamato N-terminale Quello con il COO- libero C-terminale

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50 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,,Arg,His) -Polari,senza Carica: R sono acidi o basi deboli (Ser( Ser,Tyr) - Non polari: R sono idrofobici (Val,Leu,Met 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

51 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

52 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).

53 LE MOLECOLE ORGANICHE Secondaria Incomincia il processo di conformazione della molecola Si riconoscono 2 tipi di struttura secondaria: Alfa-elica Beta-foglietto

54 LE MOLECOLE ORGANICHE L alfa elica = struttura a spirale avvolta a delimitare un cilindro, con scheletro all interno dell elica elica e le catene laterali si proiettano all esterno. La struttura è stabilizzata da legami idrogeno.

55 LE MOLECOLE ORGANICHE Beta-Foglietto = costituito da molti polipeptidi paralleli l uno l all altro. altro. Lo scheletro di ogni polipetide assume conformazione pieghettata o a a organetto I legami idrogeno sono perpendicolari all asse asse della catena polipeptidica

56 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.

57 LE MOLECOLE ORGANICHE Struttura Terziaria I ripiegamenti della catena fanno sìs 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.

58 LE MOLECOLE ORGANICHE Struttura Terziaria In alcuni casi, oltre a queste interazioni di natura essenzialmente elettrostatica, possono formarsi legami covalenti (ponti disolfuro,, S-S) 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.

59 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.

60 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.

61 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.

62 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 l di tali complessi a prima vista complicati, segue dei modelli ben precisi che prendono il nome di motivi. Es: : Spirale avvolta, barile α/β

63 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 oligomeriche) ) o diverse (proteine etero-oligomeriche oligomeriche). Si parla in tal caso di struttura quaternaria, per riferirsi all'organizzazione multimerica della proteina.

64 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.

65 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

66 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)

67 NUCLEOTIDI = PENTOSO + BASE AZOTATA + FOSFATO NUCLEOSIDE = 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

68 NUCLEOSIDI BASE+ZUCCHERO adenosina-guanosina citidina-timidina timidina-uridina Deossi- (se parliamo di DNA) (Adenosina)

69 NUCLEOTIDI BASE + ZUCCHERO + FOSFATO adenilato-guanilato citidilato-timidilato timidilato-uridilato DEOSSI- (se basi del DNA)

70 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.

71 La struttura del DNA Watson e Crick (1953) La cristallografia a raggi-x X ha mostrato che la molecola di DNA è una doppia elica

72 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( 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.

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74 Il DNA nativo è una doppia elica di catene antiparallele complementari

75 Il DNA può andare incontro ad una separazione reversibile dei due filamenti

76 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.

77 LE MOLECOLE ORGANICHE Strutture alternative a doppia elica Il DNA esiste in diversi tipi di conformazioni; Solo le conformazioni A-DNA, A B-B DNA e Z-DNA Z sono state osservate nei sistemi biologici naturali. Di tali conformazioni, la conformazione B è la più frequente nelle condizioni standard delle cellule. Senso dell'elica Unità ripetuta Rotazione/bp bp medie/giro Passo/gi ro d elica A-DNA destrorso 1 bp 33,6 10,7 24,6Å B-DNA destrorso 1 bp 35,9 10,0 33,2Å Z-DNA sinistrorso 2bp 60 /2bp 12 45,6Å Diametro 25,5Å 23,7Å 18,4Å

78 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, nén un processo sfavorito viene reso favorito, dalla presenza di un catalizzatore!!! LO STATO DI EQUILIBRIO VIENE SOLO RAGGIUNTO PIU VELOCEMENTE.

79 PROPRIETA GENERALI DEGLI ENZIMI Potere catalitico elevato (di quante volte aumenta la velocità di reazione in presenza dell enzima, enzima, tra ) Specificità Regolazione [S] + enzima - enzima S P Velocità di reazione: d[s] d[p] V = - = dt dt 1min t

80 Gli ENZIMI sono costituiti da molecole di natura proteica e possono ono 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 i in: MONOMERICI OLIGOMERICI COMPLESSI ENZIMATICI

81 COFATTORI IONI ESSENZIALI COENZIMI ATTIVATORI COSTITUTIVI CO-SUBSTRATI 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 apoenzima

82 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 ATTIVO Sito di legame (microambiente tridimensionale della struttura della proteina dove vi è l interazione con il substrato) Sito catalitico (porzione limitata del sito attivo costituito dagli aminoacidi coinvolti direttamente nella reazione enzimatica) Specificità di reazione 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.

83 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( Es: : amilasi,proteasi 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.

84 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

85 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!

86 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

87 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

88 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.

89 La Chimica dei Viventi GLI ENZIMI Regolazione Enzimatica La cellula è in grado di controllare l'attività degli enzimi in almeno cinque modalità principali: 1. 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. 2. Compartimentalizzazione degli enzimi: L'utilizzo di vescicole ed organelli da parte della cellula 3. Feedback negativo: I prodotti finali di un pathway metabolico sono spesso inibitori dei primi enzimi della stessa via metabolica, regolando r così l'intero flusso della via metabolica. 4. 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 5. Attivazione in ambienti differenti da quelli di produzione.