Modulo 1. Introduzione alle biomolecole. Ottobre 2017

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1 Modulo 1 Introduzione alle biomolecole Ottobre 2017

2 La logica molecolare della vita I sistemi viventi sono composti da molecole (biomolecole) inanimate (Albert Lehninger) Le biomolecole seguono le leggi della chimica e della fisica che regolano il comportamento della materia inanimata. Gli organismi viventi possiedono alcune proprietà straordinarie che non sono presenti nelle singole biomolecole. Che cosa distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato? 2

3 1. Gli organismi viventi sono strutture complesse ed altamente ordinate Anche il più semplice organismo è complesso e altamente organizzato 3

4 2. Le biomolecole hanno strutture definite con un preciso significato funzionale Fe 4 Eme: Trasferisce ossigeno (globine) Trasferisce elettroni (proteine respiratorie) Permette reazioni di ossidoriduzione(enzimi redox) emoglobina: trasporto di O 2

5 3. I sistemi viventi sono in grado di estrarre energia dall ambiente e di conservarla La biosfera è un sistema nel quale scorre l energia La piramide della catena alimentare Biomolecole energetiche 5

6 4. I sistemi viventi hanno capacità di autoreplicarsi Le copie quasi identiche permettono l evoluzione La fedeltà della autoreplicazione, a livello molecolare, risiede nella natura chimica del materiale genetico: il DNA. Proprietà fondamentale: complementarietà strutturale. 6

7 Gli elementi che compongono la materia vivente sono pochi ELEMENTO % Idrogeno 63 Ossigeno 25 Carbonio 9.5 Azoto 1.4 Fosforo 0.22 Zolfo 0.05 H, O, C e N costituiscono il 99% degli atomi degli organismi viventi 1s Elettroni del H guscio esterno La vita preferisce atomi leggeri (1) Piu abbonanti sulla terra (2) Legami più forti Proprietà chimiche H C N O 1 H 6 C 7 N 8 O 2s 2p C N O Dimensione atomica Componenti dell atmosfera sp 3 H 2 CH 4 NH 3 H 2 O 7

8 Energie di legame di legami covalenti importanti Il carbonio condivide una coppia di elettroni con un altro carbonio e forma legami singoli C-C molto stabili (343 kj mol- 1 ) Idrogeno e ossigeno possono formare solo 1 o 2 legami rispettivamente. Legami N-N sono relativamente instabili (171 kj mol -1 ) Il fosforo forma legami ancora meno stabili che l azoto 8

9 Le strutture con scheletro di carbonio permettono di ottenere una enorme varietà di composti Molte molecole biologiche possono essere considerate derivate dagli idrocarburi Lineari sp 3 Acido Palmitico Ciclici colesterolo planari (aromatici) o leganti metalli e tutte le combinazioni tra di essi eme grigio: carbonio Bianco : idrogeno rosso: ossigeno blu: azoto arancio: ferro 9

10 I gruppi funzionali delle biomolecole Lo scheletro degli idrocarburi è molto stabile mentre gli atomi di H possono essere sostituiti da una varietà di gruppi funzionali con proprietà autonome presenti in molecole diverse 10

11 I principali gruppi funzionali chimici nelle biomolecole gruppo fosfato Eme Nucleotide gruppo carbonilico gruppi idrossilici gruppi amminici (1, 2 ) (basici) anello aromatico (eteroaromatico) gruppo ammidico Amminoacidi gruppo sulfidrilico gruppo carbossilico (acido) centro di coordinazione metallico COOH COO NH 2 NH 3 +

12 Dimensione delle biomolecole Massa: 1 Dalton = unità di massa atomica (u) = 1/12 della massa dell atomo di 12 C 1u= 1, Kg 1 kd = 1000 D (kd per le macromolecole) La massa molecolare può essere calcolata come la somma delle masse atomiche di tutti gli elementi costituenti la molecola. Grandezza: nanometri: 1 nm: 10-9 metri oppure 10 Å 12

13 La gerarchia molecolare: dal più semplice al più complesso Precursori inorganici es CO 2 ; < 70 Daltons Metaboliti Es. piruvato; Daltons Unità costitutive Es. amminoacidi; Daltons L organismo Macromolecole Es. proteine; kdaltons Complessi sopramolecolari Es. ribosomi; kdaltons La cellula Organelli Es. mitocondri

14 Organizzazione e struttura delle cellule Cellule procariotiche Una singola membrana (plasmatica) Assenza di nucleo e organelli 14

15 Organizzazione e struttura delle cellule (II) Cellule eucariotiche Volumi di volte maggiori Presenza di nucleo e organelli Presenza di ER, Golgi, mitocondri, etc. 15

16 Le macromolecole e le loro unità costitutive hanno una direzionalità Amminoacidi Monosaccaridi Nucleotidi 16 Presentano polarità strutturale

17 Le macromolecole biologiche contengono informazioni L ordine sequenziale delle unità monomeriche che formano le macromolecole, quando letto lungo la molecola, ha la capacità di contenere informazioni. Per comprendere il significato delle informazioni è necessario un meccanismo di riconoscimento. 17

18 Le biomolecole hanno una caratteristica Architettura tridimensionale Il Citocromo c, una proteina che trasferisce elettroni Legami covalenti : determinano la sequenza lineare Interazioni non covalenti: determinano il ripiegamento spaziale

19 Le forze chimiche deboli sono responsabili delle strutture delle biomolecole Forze chimiche deboli (interazioni non covalenti) e loro energie di legame (energia di dissociazione del legame) Interazioni ioniche: 20 kj/mole (in acqua) Legami idrogeno: kj/mole Interazioni di van der Waals: kj/mole Interazioni idrofobiche: <40 kj/mole Energia di dissociazione del legame (forza): energia necessaria per rompere il legame. Entità permette la formazione e rottura continua dei legami La forza di legame è da intendersi nel solvente acqua 19

20 Le interazioni ioniche (elettrostatiche) legami relativamente deboli e reversibili - molto dipendenti dall ambiente (più deboli in acqua che in un ambiente organico) in acqua D = 80 F/m 4-7 kj/mole in cicloesano D = 4 F/m > 200 kj/mole D(ε)= costante dielettrica del mezzo 20

21 Il legame idrogeno - condivisione di un protone fra due gruppi chimici (proton donatore e proton accettore) Donatore: un atomo elettronegativo con un protone legato d - d + RO- H Accettore: un atomo elettronegativo con coppia di elettroni liberi ~ 0.3 nm d - :NR 2 - legami deboli kj/mole - altamente dipendenti dalla distanza e direzione 21

22 22 Il legame idrogeno e la struttura dell acqua

23 Forze di van der Waals Sono forze di energia inferiore rispetto alle precedenti, si dividono in: Interazione dipolo-dipolo due molecole dotate di dipolo interagiscono Interazione dipolo-dipolo indotto Dipolo istantaneo-dipolo indotto 23 forze di dispersione (di London)

24 Le interazioni di van der Waals danno luogo al concetto di ingombro sterico Gli atomi si attraggono attraverso forze non covalenti ma non possono compenetrarsi Regione repulsiva Raggi di Van der Waals: determinano la distanza minima alla quale possono avvicinarsi due atomi (oltre questa distanza energia repulsiva aumenta rapidamente). I raggi di van der Waals determinano le superfici molecolari Regione attrattiva 24

25 Rappresentazione di una proteina tramite sfere di raggio di van der Waals Gli atomi che costituiscono la proteina sono riportati come sfere di raggio pari al raggio di van der Waals. In numero considerevole di interazioni di van der Waals rende importante il contributo di questo tipo di legame alla struttura della proteina. 25

26 Le interazioni idrofobiche (effetto idrofobico) -dovute alla polarità e alla coesione dell'acqua -molecole apolari (incapaci di formare legami-h) per: minimizzare la superficie esposta all acqua si aggregano entropia aumentata entropia elevata entropia ridotta Le interazioni idrofobiche dipendono dal raggiungimento di una maggiore stabilità del sistema, ottenuto minimizzando la superficie delle molecole idrofobiche esposte all acqua. Le molecole non polari tendono ad associarsi tra loro liberando molecole d acqua. Le membrane biologiche si formano per effetto idrofobico. 26

27 Le proprietà delle biomolecole riflettono il loro adattamento alla condizione vivente Le macromolecole e loro unità costitutive hanno un senso o direzionalità Le macromolecole hanno un contenuto informazionale Le biomolecole hanno una architettura caratteristica e tridimensionale Forze deboli mantengono le strutture biologiche e determinano le interazioni tra biomolecole 27

28 Il riconoscimento molecolare + Il riconoscimento tra molecole è dovuto a La complementarietà strutturale = strumento di riconoscimento delle molecole, permette di ottenere interazioni molto specifiche. Sono mediate da una moltitudine di interazioni deboli, non covalenti che rendono complessivamente il legame forte ma allo stesso tempo reversibile. Se molecola è piccola: ligando. Modello a chiave e serratura. 28 Complementarietà strutturale: legame transiente

29 Le interazioni deboli confinano gli organismi viventi in un ristretto intervallo di condizioni ambientali Le macromolecole biologiche sono funzionalmente attive solo in un ristretto intervallo di condizioni fisiche. Sono soggette alla perdita della struttura (funzione) per denaturazione. Calore (ph, forza ionica) Distruzione delle forze deboli Stato nativo Biomolecola funzionale Stato denaturato Perdita della funzione Le cellule non tollerano reazioni in cui sono rilasciate elevate quantità di energia 29

30 Il metabolismo assicura il rilascio e la cattura di energia in maniera controllata La combustione del glucosio Rilascia molta energia C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O kj/mol energia Vie sequenziali di trasformazioni chimiche Metabolismo Glucosio 6 CO H 2 O Nelle cellule ATP Glucosio 6 CO H 2 O Calorimetro Energia = Calore 30

31 Gli enzimi catalizzano le reazioni del metabolismo La velocità delle reazioni (bio)chimiche : fattore importante. Condizioni ambientali restrittive, indispensabili catalizzatori biologici: enzimi. 1) Accelerano le reazioni 2) Rendono le reazioni specifiche. Le reazioni devono essere regolate perché il metabolismo proceda armoniosamente. 3) La loro attività è regolata. Gli enzimi non hanno influenza sui cambiamenti energetici e quindi sulla direzione delle reazioni Un enzima rappresentativo l anidrasi carbonica 31

32 I principi della logica molecolare della vita: La cellula è un sistema di molecole in grado di autoassemblarsi e di autoperpetuarsi, che estrae energia e materiali grezzi dal suo ambiente Le trasformazioni chimiche che avvengono all interno di una cellula sono dovute ad una grande varietà di molecole molte delle quali hanno un contenuto informazionale codificato in forma lineare La funzione delle macromolecole è dovuta alla loro struttura tridimensionale che è stabilizzata da molte interazioni deboli che agiscono in maniera cooperativa, ma al tempo stesso consentono una sufficiente flessibilità necessaria per le loro funzioni biologiche. 32

33 La chimica è la logica dei fenomeni biologici Tutti gli organismi sono estremamente simili a livello cellulare e molecolare, producendo una serie di principi organizzativi validi per tutte le forme di vita. Questi principi nel loro insieme vanno sotto il nome di logica molecolare della vita. La biochimica descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi ed i processi chimici comuni a tutti gli organismi e si occupa di comprendere come migliaia di biomolecole differenti interagiscono tra loro per conferire le proprietà uniche dei sistemi viventi. 33