CHIMICA BIOLOGICA, LABORATORIO (gr.3) (prof.ssa P. Contursi) E METODOLOGIE BIOCHIMICHE (gr.3) (prof.ssa D. Limauro) Curriculum Molecolare

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1 CHIMICA BIOLOGICA, LABORATORIO (gr.3) (prof.ssa P. Contursi) E METODOLOGIE BIOCHIMICHE (gr.3) (prof.ssa D. Limauro) Corso di Studi in Biologia Generale ed Applicata Curriculum Molecolare CHIMICA BIOLOGICA, LABORATORIO (gr.3) (prof.ssa P. Contursi) Corso di Studi in Biologia Generale ed Applicata Curriculum della Nutrizione A.A

2 Curriculum NUTRIZIONE Modulo di CHIMICA BIOLOGICA E LABORATORIO (10 cfu) Curriculum MOLECOLARE Modulo di CHIMICA BIOLOGICA E LABORATORIO (10 cfu) + Modulo di METODOLOGIE BIOCHIMICHE (4cfu) Modalità esame : orale Esami propedeutici: Chimica organica e laboratorio

3 Laboratorio di Chimica Biologica CORSO DI LAUREA IN BIOLOGIA GENERALE E APPLICATA Anno Accademico 2011/2012 Cromatografia a scambio ionico e determinazione spettrofotometrica e colorimetrica della concentrazione di una miscela proteica Ion exchange

4 Di che cosa si occupa la Chimica Biologica? Principali classi di biomolecole Proteine Acidi nucleici Carboidrati amminoacidi Polimeri di piccole unità semplici nucleotidi Monomeri (zuccheri semplici) Polimeri (polisaccaridi) Lipidi Triacilgliceroli

5 Il livello molecolare è l oggetto di studio della Biochimica µm 5-10 µm 2 nm (20 Å)

6 Origine della vita Era del bombardamento pesante Microrganismi fossili individuati in stromatoliti

7 Caratteristiche degli organismi viventi Alto grado di complessità chimica e di organizzazione a livello microscopico Sistemi capaci di estrarre trasformare ed utilizzare l energia Interazione tra le molecole ed interazione con l ambiente Capacità di riprodursi Capacità di evolversi

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9 2006

10 Cellula procariota ed eucariota

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12 Principali classi di biomolecole - Gruppi funzionali nelle biomolecole Struttura tridimensionale: configurazione e conformazione

13 La maggior parte delle biomolecole sono composti del carbonio con differenti gruppi funzionali H - Molecole idrofobiche - Poco reattive Gruppi funzionali Composti con proprietà chimiche specifiche Benzene (fenile) Nota: da un punto di vista chimico un gruppo funzionale si comporta allo stesso modo in tutte le molecole in cui è presente

14 L atomo di carbonio può formare legami singoli con idrogeno, L atomo di carbonio può formare legami singoli o doppi con l ossigeno, L atomo di carbonio può formare legami singoli o doppi con l azoto, L atomo di carbonio può formare legami singoli doppi e tripli con un altro atomo di carbonio

15 Gruppi funzionali presenti nelle biomolecole

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17 Gruppi funzionali POLARI non carichi: Ossidrile Carbonile Sulfidrile Gruppi funzionali con CARICA POSITIVA: Amminico Imidazolico guanidino Gruppi funzionali con CARICA NEGATIVA: Carbossile Fosfato

18 Alcoli: polari H Benzene (fenile) Zuccheri

19 aldeidi: polari chetoni: polari Zuccheri gliceraldeide diidrossiacetone

20 tiolo Cisteina disolfuro Glu Glu Glu Glu Cys SH HS Cys Cys S S Cys Gly Gly Gly Gly Glutatione ridotto Glutatione ossidato

21 + H + + H H glicina CH 3 alanina amminoacidi Lisina Gruppo ε-amminico

22 + -H Istidina Arginina

23 H + H + H Acidi grassi

24 H ATP nucleotide

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26 Le molecole sono tridimensionali: Hanno una FORMA La funzione di una biomolecola dipende da: Forma Gruppi funzionali

27 Gli ISOMERI sono un altra fonte di diversità nelle molecole organiche Isomeri = composti con stessa formula molecolare ma strutture diverse Diversa struttura proprietà diverse - Isomeri strutturali - Isomeri configurazionali: isomeri geometrici stereoisomeri (enantiomeri)

28 Isomeri strutturali: differiscono per la disposizione degli atomi nella catena carboniosa n-butano iso-butano

29 ISOMERI CONFIGURAZIONALI Isomeri geometrici: differiscono per la disposizione degli atomi rispetto a un doppio legame C=C (configurazione) La differenza di forma influenza l attività biologica

30 ISOMERI CONFIGURAZIONALI Enantiomeri: sono generati dalla presenza di 4 sostituenti diversi legati allo stesso atomo di carbonio (carbonio chirale) Gli enantiomeri sono l uno immagine speculare dell altro Nota: configurazione = disposizione degli atomi nello spazio imposta da un doppio legame o da un centro chirale conformazione = disposizione spaziale di gruppi funzionali dovuta alla rotazione intorno a legami singoli

31 D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli

32 CONFORMAZIONE: disposizione spaziale dei gruppi funzionali grazie alla libertà di rotazione intorno ai legami C-C

33 In genere uno solo degli enantiomeri è biologicamente attivo Es. 1: Gli amminoacidi esistono come enantiomeri L e D solo L-amminoacidi sono presenti nelle proteine! R L-amminoacido R D-amminoacido

34 Stereospecificità dell interazione tra molecole: isomeri diversi vengono riconosciuti in maniera differente da recettori sensoriali

35 I gruppi funzionali conferiscono proprietà chimiche specifiche Le proprietà chimico-fisiche di ciascun gruppo funzionale vengono mantenute in tutte le molecole che lo contengono Oltre al tipo, il NUMERO e la DISPOSIZIONE dei gruppi funzionali conferiscono propietà uniche a ciascuna molecola

36 Principali classi di biomolecole Proteine Acidi nucleici Carboidrati amminoacidi Polimeri di piccole unità semplici nucleotidi Monomeri (zuccheri semplici) Polimeri (polisaccaridi) Lipidi Triacilgliceroli

37 AMMINOACIDI: Unità costitutive delle proteine ma non solo Gruppo carbossilico Gruppo amminico Catena laterale o gruppo R Carbonio alfa Amminoacidi proteici (20) = alfa-amminoacidi

38 i gruppi legati al carbonio α possono disporsi nello spazio in due modi diversi: Le due strutture risultanti sono l una immagine speculare dell altra enantiomeri R R R R R R Formule in prospettiva Formule di proiezione

39 enantiomeri degli amminoacidi: correlati agli enantiomeri della gliceraldeide D e L L-amminoacido D-amminoacido (Formula di struttura in prospettiva)

40 Gruppo carbossilico Gruppo amminico Catena laterale o gruppo R Legame peptidico

41 nucleotide ADP AMP

42 nucleotidi

43 DNA RNA

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46 zuccheri glicogeno Legame glicosidico

47 In soluzione acquosa gli aldotetrosi e tutti gli altri monosaccaridi con cinque o più atomi di carbonio assumono una forma ciclica

48 Ciclizzazione del glucosio Carbonio anomerico determina la formazione di due steroisomeri (anomeri)

49 monomeri Ogni monomero incorporato in una catena macromolecolare è detto residuo Tutti i residui sono allineati nella stessa direzione: le estremità delle macromolecole sono chimicamente distinte (le molecole hanno un senso )

50 Acido grasso triacilglicerolo

51 La forza di legame tra due atomi dipende dalle proprietà degli atomi impegnati nel legame e viene espressa in Joule o in Kcal/mole 1cal=4,184J

52 Trasformazioni chimiche all interno di una cellula La CO 2 è la forma più ossidata del carbonio

53 2) Reazioni di scissione o formazione di legami C-C: si forma un anione ed un catione 3)Riarrangiamenti interni: isomerizzazione 4) Trasferimenti di gruppi gruppi tiolici, ortofofsato, sono alcuni tra i gruppi che frequentemente vengono trasferiti

54 Condensazione tra due amminoacidi 5)Reazioni di condensazione e di idrolisi Formazione del legame peptidico Idrolisi

55 PROGRAMMA DI CHIMICA BIOLOGICA Principali classi di biomolecole - Gruppi funzionali nelle biomolecole Struttura tridimensionale: configurazione e conformazione Struttura dell acqua e sua importanza nei sistemi biologici - Principali Interazioni tra molecole (legame idrogeno, interazioni ioniche, interazioni di van der Waals, interazioni idrofobiche) PROTEINE Struttura: Le unità monomeriche: caratteristiche strutturali e proprietà chimiche degli amminoacidi (curve di titolazione, equazione di Henderson-Hasselbalch, punto isoelettrico; caratteristiche delle catene laterali) Formazione della catena polipeptidica e livelli superiori di organizzazione strutturale: alfa-elica, strutture beta, inversioni di catena, strutture supersecondarie, struttura terziaria, domini, struttura quaternaria Relazioni struttura e funzione: denaturazione/rinaturazione; effetti della temperatura, del ph, di denaturanti chimici (urea, guanidina, sodio dodecil-solfato, agenti riducenti). Funzione: Proteine fibrose: alfa-cheratine - collageno. Proteine globulari: Mioglobina e Emoglobina

56 Enzimi concetti di base: cinetica delle reazioni non catalizzate; variazione dell energia libera delta-g relazione tra delta-g e costante di equilibrio di una reazione. Classificazione degli enzimi, specificità di reazione, il sito attivo, interazione con il substrato Meccanismi di catalisi enzimatica - Cinetica enzimatica: il modello di Michaelis-Menten; trasformazioni dell equazione di Michaelis-Menten: il grafico dei doppi reciproci Inibizione enzimatica reversibile e competitiva, Effetti di ph e temperatura sulla velocità delle reazioni enzimatiche. Regolazione: Enzimi allosterici attivazione di zimogeni. Generalità sui coenzimi

57 ACIDI NUCLEICI Struttura: Le unità monomeriche: basi, nucleosidi, nucleotidi - struttura primaria e secondaria; la struttura a doppia elica. Processi di denaturazione: ipercromismo temperatura di fusione; denaturazione reversibile; ibridazione. Idrolisi enzimatica (esonucleasi, endonucleasi, enzimi di restrizione).. Organizzazione della cromatina (generalità). Funzione: Aspetti generali della biosintesi di DNA, RNA e proteine. Le reazioni della DNA polimerasi; la DNA ligasi; le RNA polimerasi-dna dipendenti nei procarioti e negli eucarioti; ruolo delle DNA topoisomerasi; cenni sulla maturazione degli RNA; struttura e funzione degli RNA di trasferimento; il codice genetico; la reazione di attivazione degli amminoacidi; le fasi della sintesi proteica: inizio, allungamento, terminazione, con particolare riferimento al processo nei procarioti.

58 METABOLISMO METABOLISMO Introduzione al metabolismo: Concetti generali di energetica: le funzioni di stato (entalpia, entropia, energia libera); composti ad alto contenuto energetico e loro ruolo nel metabolismo - reazioni accoppiate vie metaboliche e loro regolazione CARBOIDRATI: monosaccaridi; polisaccaridi di riserva (glicogeno e amido). Glicolisi: reazioni, meccanismi (GAP deidrogenasi, fosfoglicerato mutasi), regolazione Vie fermentative del piruvato (fermentazione lattica e fermentazione alcolica) Decarbossilazione ossidativa del piruvato e meccanismo di reazione La via del fosfogluconato e suo significato; meccanismi d azione di transchetolasi e transaldolasi Gluconeogenesi: reazioni e regolazione Metabolismo dei polisaccaridi: degradazione e sintesi del glicogeno: reazioni, regolazione. La combustione completa degli atomi di carbonio provenienti dai diversi distretti metabolici e la produzione di energia in condizioni di aerobiosi: Ciclo degli acidi tricarbossilici: reazioni e regolazione Le reazioni anaplerotiche: piruvato carbossilasi ed enzima malico. La catena di trasporto degli elettroni; fosforilazione ossidativa

59 Lipidi: Aspetti generali della struttura e funzione dei lipidi; Acidi grassi saturi e insaturi; Triacilgliceroli lipasi degradazione e sintesi degli acidi grassi saturi: reazioni, regolazione. Proteine: generalità sul destino dello scheletro carbonioso degli amminoacidi. Destino del gruppo amminico degli amminoacidi: transamminazioni: significato e meccanismo deamminazione ossidativa ciclo dell urea. Testi consigliati - Nelson DL e Cox MM I Principi di Biochimica di Lehninger V edizione- Zanichelli (ed.) - Nelson DL e Cox MM Introduzione alla Biochimica di Lehninger Zanichelli (ed.) - Campbell e Farrell Biochimica EdiSES (ed.) - Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L Biochimica- Zanichelli (ed.)