Natura delle molecole biologiche

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1 Natura delle molecole biologiche Componenti principali organismo: acqua molecole contenenti carbonio La chimica della vita ruota attorno alla chimica del carbonio

2 carbonio ha piccole dimensioni e 4 valenze può formare lunghe catene carboniose lineari, ramificate o cicliche adatto a formare lo scheletro di migliaia di molecole le più semplici sono gli idrocarburi ( nonostante siano il carburante fossile formatosi durante la trasformazione di antichi residui vegetali ed animali non si trovano in grande quantità nelle cellule)

3 Le biomolecole sono derivate da idrocarburi in cui gli atomi di idrogeno sono sostituiti da gruppi più reattivi (gruppi funzionali) Acidi organici carboidrati

4 La configurazione elettronica del C rende le molecole organiche stabili La stabilità è espressa in termini di energia di legame (quantità di energia necessaria per rompere 1 mole di legami) ed è esplicitata in calorie legame C-C = 83 kcal/mole legame C-N = 70 kcal/mole legame C-O = 84 kcal/mole legame C-H = 99 kcal/mole legame C=C = 146 kcal/mole legame C C = 212 kcal/mole C-H (99 Kcal/mole) C-N (70 Kcal/mole)

5 Le molecole contenenti C possono formare degli stereoisomeri stessa formula di struttura non sovrapponibili speculari stessa reattività

6 Componenti organici ed inorganici della cellula I componenti inorganici sono: 1. H 2 O 75-85% 2. Ioni 1-1,5% I componenti organici sono: 1. proteine % 2. acidi nucleici 1-1,5% 3. glucidi 1% 4. lipidi 2-3%

7 L importanza dell acqua E presente in due forme: libera 95% e coniugata 5% polarità (distribuzione asimmetrica delle cariche) stabilizza la temperatura coesività solvente universale

8 grande quantità di legami H forma una estesa rete tridimensionale responsabile della coesività della elevata tensione superficiale

9 l elevata energia che si libera dalle reazioni metaboliche che surriscalderebbe la cellula viene utilizzata nei legami H e nel conseguente alto calore specifico (quantità di calore che un grammo di sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di 1 grado centigrado) capacità di stabilizzare la temperatura eccellente solvente

10 Componenti inorganici della cellula gli ioni più importanti sono: Na+, K+, Ca++, Mg+ tra i cationi Cl-, HCO3-, SO4-, PO4- tra gli anioni Il ferro è il veicolo elettivo per il trasporto dell ossigeno nell emoglobina lo iodio è un costituente degli ormoni tiroidei

11 le biomolecole appartengono a quattro famiglie: carboidrati, lipidi, proteine, ed acidi nucleici

12 Carboidrati (composti contenenti carbonio che sono idratati) più abbondante classe di molecole organiche e la più grande fonte di combustibile composti da C, O, H secondo la formula generale (CH 2 O) n dove n è il numero totale (da 3 a 7 in strutture biologiche) funzionano come depositi di energia chimica e come materiale da costruzione di lunga durata delle strutture biologiche includono gli zuccheri semplici e le grandi molecole che si formano a partire da questi Zuccheri semplici Piccole dimensioni Facilmente solubili in H 2 O

13 disaccaridi legame glicosidico reazione di condensazione disaccaridi utilizzati come riserva di energia pronta e disponibile: saccarosio distribuisce energia chimica alle varie parti delle piante lattosio fornisce energia ai neonati Oligosaccaridi (unione di unità glicidiche) piccole catene di zuccheri formano glicolipidi e glicoproteine ruolo informazionale: -distinguono un tipo di cellula da un altro altro -mediano interazioni tra la cellula ed il suo ambiente

14 Polisaccaridi (molti zuccheri) lunghe catene polimeriche di monosaccaridi nutritivi: glicogeno polimero ramificato con un tipo di monomero il glucosio (omopolimero), deposito di energia chimica negli animali amido miscela di due polimeri amilosio (10%) non ramificato ed amilopectina (90%) ramificata, immagazzinato in granuli nei plastidi. E idrolizzato dall amilasi delle cellule animali

15 di struttura: cellulosa polimero di glucosio non ramificato componente principale delle pareti delle cellule vegetali (cotone, lino) chitina polimero non ramificato dell N-acetilglucosammina (resistente, elastico e flessibile) glicosamminoglicani (GAG) eteropolimero eparina

16 Lipidi gruppo eterogeneo di composti spiccatamente idrofobici non polari insolubili in acqua solubili in solventi organici (benzolo, etere, cloroformio) dal punto di vista funzionale lipidi di riserva lipidi con attività biologiche lipidi strutturali I lipidi importanti per la cellula sono: lipidi neutri steroidi fosfolipidi

17 di riserva: lipidi neutri trigliceride si formano a partire da: gli acidi grassi sono lunghe catene di idrocarburi non ramificate con un unico gruppo carbossilico, idrofilico, ad una estremità differiscono per la lunghezza della catena idrocarburica (atomi di C nella cellula tra i 14 ed i 20) e per l eventuale presenza di doppi legami tra atomi di C un > numero di doppi legami abbassa la temperatura di fusione dei lipidi a temperatura ambiente i grassi vegetali sono liquidi (olii) sono molto ricchi di energia chimica doppia rispetto ai carboidrati carboidrati grassi energia subito disponile di breve durata riserve energetiche di lunga durata

18 I grassi non hanno gruppi polari quindi insolubili in acqua. Nelle cellule si accumulano come goccioline lipidiche anidre o in cellule speciali: adipociti Gli acidi grassi possono legarsi a strutture idrocarburiche o alcooli a lunga catena e darmi le cere costruzione favo lubrificazione protezione timpano riduzione perdita d acqua I lipidi neutri oltre alla principale funzione di immagazzinare energia possono essere utilizzati dagli animali come isolanti termici sotto forma di depositi sottocutanei di grasso - o dagli animali acquatici come agenti impermeabilizzzanti

19 di struttura fosfolipidi, sfingolipidi e glicolipidi fosfolipidi e sfingolipidi testa molto polare e idrofilica alcool coda apolare e idrofobica natura anfipatica e nell acqua si organizzano in un doppio strato che è alla base della struttura delle membrane cellulari micella glicolipidi superficie esterna delle membrane soprattutto di cellule vegetali R può contenere da 1 a 6 unità di zucchero : glucosio, galattosio e N-acetilgalattosammina

20 di struttura terpeni sintetizzati dall isoprene: vitamina A, pigmenti carotenoidi, rodopsina di struttura steroidi struttura con 4 anelli carboniosi, solo nelle cellule eucariotiche catena idrocarburica costituente delle membrane testa polare punto di partenza nella sintesi degli ormoni steroidei (sessuali, glucocorticoidi e mineralcorticoidi), della vitamina D e degli acidi biliari

21 Le proteine (proteios) cellulari sono le macromolecole - più abbondanti - più ubiquitarie - più versatili cellula di mammifero proteine da cui dipendono tutte le sue attività CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE in base alla funzione biologica che svolgono Classe funzionale Enzimi Proteine di regolazione Proteine di trasporto Proteine di riserva Proteine deputate alla mobilità ed alla contrattilità Proteine strutturali Proteine con funzioni di difesa Proteine particolari Esempi DNA polimerasi, lipasi, proteasi insulina, tireotropina emoglobina ovoalbumina, ferritina actina, miosina, tubulina collagene, elastina, cheratina trombina, fibrinogeno, anticorpi proteina antigelo, resilina

22 Come può un unico tipo di molecola svolgere tante funzioni? 1. numero illimitato di forme 2. ogni proteina ha una struttura ordinata ed unica che le consente di svolgere una particolare funzione interagire selettivamente con altre molecole alto grado di specificità

23 Le proteine cellulari sono polimeri lineari di amminoacidi, ognuna con la sua sequenza che le conferisce proprietà peculiari ogni amminoacido ha un atomo di carbonio con 4 valenze saturate da un radicale amminico (NH2), un radicale carbossilico (-COOH), un atomo di H e un radicale R variabile ogni atomo di carbonio si lega ai 4 gruppi in due configurazioni (stereoisomeri) non sovrapponibili Le proprietà specifiche degli amminoacidi dipendono dalla natura chimica dei gruppi R usati nella sintesi sul ribosoma

24 struttura dei 20 amminoacidi presenti nelle proteine classificati in base alle caratteristiche delle catene laterali Indicati con 3 lettere

25 Le proteine cellulari - reazione di condensazione - legame peptidico - direzionalità intrinseca - energia ed informazione - polimerimerizzazione di amminoacidi polipeptide (da una media di 450 a amminoacidi)

26 Proteina molecole composte da una o più catene polipeptidiche proteine monomeriche proteine multimeriche omomultimeriche (stesso tipo di polipeptide) eteromultimeriche (diversi tipi di polipeptidi)

27 Una proteina deve la sua struttura e le sue proprietà biologiche a: numero degli amminoacidi che contiene nella sua molecola ai particolari amminoacidi inseriti nella sua catena alla sequenza che gli amminoacidi costitutivi presentano lungo la catena Le proteine hanno strutture complesse ma definite e prevedibili La loro struttura può essere descritta in quattro livelli di organizzazione diversi per aspetto e dipendenti da diversi tipi di interazione: primaria secondaria terziaria quaternaria

28 LIVELLI DELLA STRUTTURA PROTEICA 1) struttura primaria sequenza di amminoacidi resa stabile da legami covalenti importanza genetica (deriva dall ordine dei nucleotidi nel DNA) importanza strutturale ribonucleasi pancreatica

29 2) struttura secondaria è la configurazione tridimensionale degli atomi coinvolge schemi ripetitivi di strutture locali che danno luogo a 2 conformazioni α elica foglietto β o sheet resa stabile da legami idrogeno che si formano tra un gruppo imminico e un gruppo carbonilico

30 α-elica: nel giro dell α-elica i legami peptidici di ogni 4 aa sono vicini e si stabilisce un legame H tra il gruppo NH e CO di due legami peptidici diversi β-foglietto: si stabiliscono legami H tra gruppi CO ed NH di residui amminoacidici lontani che possono essere intra o intermolecolari (cheratina) Legame peptidico

31 Legami peptidici

32 Simbologia a-elica foglietto b

33 random coil o avvolgimento casuale motivi strutturali comuni Le parti non organizzate ad α elica o a β foglietto formano cerniere od anse, spesso queste sono le parti più flessibili e la sede della > attività biologica helix-turn-helix

34 3) Struttura terziaria Avvolgimento spaziale di tutte le eliche e le forme, vera struttura tridimensionale -determinata dall interazione dei gruppi laterali della catena principale mediante legami deboli - non è ripetitiva - conformazione nativa -il ripiegamento può avvenire spontaneamente oppure essere guidato da altre proteine dette chaperone molecolare complessi proteici cilindrici ribonucleasi

35 In base alla loro conformazione globale (struttura secondaria e terziaria) le proteine possono essere classificate in due grandi classi: 1) Proteine fibrose strutture ordinate e ripetitive con forma estremamente allungata insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite collagene: proteina fibrosa presente nei tendini e nella pelle mioglobina: proteina globulare 2) Proteine globulari forma approssimativamente sferica, compatta molto solubile in acqua

36 La maggior parte delle proteine globulari è costituita da uno o più moduli distinti chiamati domini -dominio unità discreta ripiegata localmente con regioni ad α-elica e β-foglietto impaccate assieme ed hanno funzione specifica semiindipendente Idrolizzano i fosfolipidi gliceraldeide fosfato deidrogenasi due domini funzionali proteina con funzione multipla: dominio diverso per ogni funzione Es. primo dominio lega sostanza da metabolizzare, secondo dominio lega enzima Lega il Ca nelle cellule fotorecettrici della retina Nelle vescicole sinaptiche: ancora le vescicole alla membrana

37 4) Struttura quaternaria più strutture terziarie collaborano per formare un unico complesso macromolecolare resa stabile da legami deboli e legami covalenti disolfuro solo nelle proteine multimeriche emoglobina

38 In alcuni casi può esistere un livello più elevato di assemblaggio: due o più proteine sono organizzate in un complesso multiproteico (economia di funzione) enzima complesso piruvato deidrogenasi formata da 3 enzimi e 5 coenzimi Le proteine possono subire alterazione (denaturazione) a causa della temperatura, del ph, di sostanze chimiche, di radiazioni

39 Acidi nucleici sono presenti in tutti gli organismi viventi responsabili dell immagazzinamento, trasmissione ed espressione dell informazione genetica. Sono i depositari dei caratteri ereditari (DNA) e dirigono la sintesi proteica della cellula (DNA ed RNA) Vi sono 2 tipi di acidi nucleici 1. Acido desossiribonucleico (DNA) 2. Acido ribonucleico (RNA)

40 gli acidi nucleici sono macromolecole informazionali che contengono unità monomeriche non identiche in una sequenza specifica. le unità monomeriche sono i nucleotidi

41 - I nucleotidi sono legati da legami covalenti. - un gruppo fosfato già unito da un legame fosfodiestereo al C 5 di un nucleotide si lega con un secondo legame fosfodiesterico al C 3 del nucleotide della catena in formazione catena polinucleotidica con direzione intrinseca, per convenzione dall estremità 5 (testa del DNA) all estremità 3 (coda del DNA) - come per le proteine serve energia per il legame (nucleotidi trifosfato) direzione 5 3 catena polinucleotidica struttura primaria del DNA ed RNA

42 DNA I gruppi zucchero-fosfato sono carichi e quindi si trovano all esterno dell elica, le basi azotate, composti aromatici con minore affinità con l acqua, sono all interno. le catene sono orientate in direzioni opposte 0,6 nm 0,27 nm

43 Come per le proteine serve informazione. I nucleotidi sono aggiunti in una sequenza specifica determinata geneticamente attraverso una molecola di DNA preesistente che serve da stampo Lo stampo è il DNA sia per il DNA che per l RNA Si originano 2 filamenti polinucleotidici che si avvolgono ad α elica e che sono orientati in direzioni opposte (antiparalleli). I filamenti sono tenuti a regolare distanza fra loro da basi azotate L elica ha andamento destrorso con un passo regolare di 3,4nm. La struttura a doppia elica costituisce la struttura secondaria del DNA.

44 Le basi azotate dei nucleotidi che costituiscono il DNA e cioè A,T,C e G costituiscono le lettere di un codice, il codice genetico che viene decodificato e tradotto in proteine

45 RNA A differenza del DNA è un singolo filamento polinucleotidico (struttura primaria), disteso in più punti, in altri avvolto su se stesso in giri elicoidali (struttura secondaria) - mrna - trna - RNA ribosomiale RNA messaggero (mrna) porta l informazione dal nucleo al citoplasma rappresenta il 2,5% dell RNA totale ed è la copia della sequenza di nucleotidi che, nel DNA, racchiude l informazione per la sintesi di una determinata proteina

46 2. RNA di trasporto o solubile (trna, RNA trasfer), riconosce le triplette (i codoni) dell mrna attraverso un anticodon e trasferisce sui ribosomi i vari aminoacidi che formano le proteine - È una piccola molecola (70-90 nucleotidi) ed ha una caratteristica forma a trifoglio 3. Rna ribosomiale che si associa a proteine e forma i ribosomi