Corso di orientamento e preparazione ai Corsi di Laurea della Scuola di Medicina ad accesso programmato a.a. 2019/2020 CHIMICA

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1 Corso di orientamento e preparazione ai Corsi di Laurea della Scuola di Medicina ad accesso programmato a.a. 2019/2020 CHIMICA

2 «Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma.» (Antoine-Laurent de Lavoisier) La chimica è la scienza che studia la composizione della materia e il suo comportamento in base a tale composizione. Alessio Cesaretti, PhD alex.cesaretti14@gmail.com

3 Fondamenti di chimica inorganica: nomenclatura e proprietà principali dei composti inorganici: ossidi, idrossidi, acidi, sali. Programma La costituzione della materia: gli stati di aggregazione della materia; sistemi eterogenei e sistemi omogenei; composti ed elementi. Le leggi dei gas, le proprietà dello stato liquido; le leggi ponderali. La struttura dell'atomo: particelle elementari; numero atomico e numero di massa, isotopi. La teoria atomica da Bohr alla meccanica quantistica; la configurazione elettronica degli atomi dei vari elementi. Il sistema periodico degli elementi: gruppi e periodi; elementi di transizione; proprietà periodiche degli elementi: raggio atomico, potenziale di ionizzazione, affinità elettronica; metalli e non metalli; relazioni tra struttura elettronica, posizione nel sistema periodico e proprietà. Il legame chimico: legame ionico, legame covalente; polarità dei legami; elettronegatività. Le forze intermolecolari.

4 Programma Le reazioni chimiche e la stechiometria: peso atomico e molecolare, numero di Avogadro, concetto di mole, calcoli stechiometrici elementari, bilanciamento di reazioni, vari tipi di reazioni chimiche. La termodinamica chimica; la cinetica chimica. L equilibrio. Le soluzioni: proprietà solventi dell'acqua; solubilità; principali modi di esprimere la concentrazione delle soluzioni. Le proprietà colligative. Ossidazione e riduzione: numero di ossidazione, concetto di ossidante e riducente. Acidi e basi: concetti di acido e di base; acidità, neutralità, basicità delle soluzioni acquose; il ph. Fondamenti di chimica organica: legami tra atomi di carbonio; idrocarburi alifatici, ciclici e aromatici; i gruppi funzionali. Fondamenti di biochimica.

5 Le Biomolecole I pochi milioni di sostanze prodotte artificialmente in laboratorio sono poca cosa se confrontate ai quasi mille miliardi di biomolecole prodotte dagli organismi viventi. Nonostante le enormi differenze che esistono tra loro, le biomolecole possono essere suddivise in quattro classi fondamentali: CARBOIDRATI, PROTEINE, LIPIDI, ACIDI NUCLEICI.

6 Le Biomolecole I CARBOIDRATI e i LIPIDI sono le fonti energetiche per l organismo. Le PROTEINE svolgono una funzione strutturale e moltissime altre che lo mantengono in vita. Gli ACIDI NUCLEICI contengono le informazioni necessarie perché le cellule possano riprodursi e sintetizzare le proteine. Composizione percentuale dell organismo umano

7 I Carboidrati I CARBOIDRATI sono la prima sorgente di energia per gli organismi viventi. A questa classe appartengono gli ZUCCHERI, tra cui il GLUCOSIO, che è prodotto nelle parti verdi delle piante attraverso la FOTOSINTESI CLOROFILLIANA.

8 I Carboidrati Nella fotosintesi clorofilliana le piante producono glucosio a partire da diossido di carbonio e acqua: L energia solare viene trasformata in energia chimica. Un grammo di glucosio contiene 15,5 kj di energia.

9 I Carboidrati I carboidrati possono essere: semplici (monosaccaridi e disaccaridi) complessi (oligosaccaridi e polisaccaridi)

10 I Monosaccaridi I monosaccaridi sono gli zuccheri più semplici e in base al numero di atomi di C si dividono in triosi, tetrosi, pentosi, esosi Tutti i monosaccaridi hanno un gruppo alcolico (-OH). I monosaccaridi hanno inoltre un gruppo aldeidico (-CHO) ALDOSI oppure un gruppo chetonico (-C=O) CHETOSI.

11 I Monosaccaridi Gli atomi C asimmetrici sono indicati nella figura con un asterisco. Le lettere D e L indicano la configurazione assoluta (che è indipendente dall attività ottica, ad es. il D-fruttosio è fortemente levogiro).

12 I Monosaccaridi Per stabilire la configurazione assoluta di uno zucchero confrontiamo la disposizione dei gruppi legati all atomo di C asimmetrico più lontano dai gruppi aldeidico o chetonico con quella della gliceraldeide:

13 I Monosaccaridi I saccaridi in soluzione acquosa si presentano in strutture chiuse, in equilibrio con quelle aperte. La forma aperta del D-glucosio è in equilibrio con altre due forme cicliche (anomeri).

14 I Monosaccaridi A temperatura ambiente molti monosaccardi si presentano come polveri bianche inodori.

15 I Disaccaridi I disaccaridi sono formati da due monosaccaridi, uniti mediante un atomo di ossigeno (legame glicosidico). La formazione del disaccaride è una reazione di condensazione in cui si ha la perdita di una molecola di H 2 O.

16 I Disaccaridi Saccarosio (zucchero di canna o di barbabietola):

17 I Disaccaridi Maltosio (derivante dall idrolisi enzimatica del malto): Cellobiosio (ottenuto per parziale idrolisi della cellulosa):

18 I Disaccaridi Lattosio (componente zuccherino del latte):

19 I Polisaccaridi I polisaccaridi sono formati dall unione di molte unità di monosaccaridi naturali. La maggior parte dei polisaccaridi contiene circa 100 unità. Nella cellulosa sono unite più di 3000 unità.

20 I Polisaccaridi L amido è un polimero dell α-d-glucosio; è presente nelle patate, nei cereali e costituisce la riserva di carboidrati tipica delle piante. I suoi componenti polimerici sono l amilosio e l amilopectina.

21 I Polisaccaridi L amilosio ha una struttura pressoché lineare derivata dall unione con legame 1 4 glicosidico di circa 300 molecole di α-glucosio. Legame 1 4

22 I Polisaccaridi L amilopectina ha una struttura più ramificata: Legame 1 6

23 I Polisaccaridi Il glicogeno è il polisaccaride di riserva degli organismi animali, accumulato nel fegato e nei muscoli. Ha massa molto elevata e una struttura simile a quella dell amilopectina, ma molto più ramificata.

24 I Polisaccaridi La cellulosa è il composto organico più abbondante sulla Terra. Il mondo vegetale, infatti, è costituito in gran parte da cellulosa: il 50% circa del legno è cellulosa. La cellulosa è costituita da lunghe catene lineari formate da unità di β-d-glucosio unite con legami 1 4.

25 I Polisaccaridi L unica differenza chimica tra amido e cellulosa è che nel primo i legami tra unità sono α (1 4) glicosidici e nella seconda sono β (1 4) glicosidici. Questa differenza comporta l impossibilità da parte dell organismo umano di digerire la cellulosa perché manca degli enzimi necessari.

26 I Polisaccaridi La cellulosa è invece digerita dai ruminanti: nel loro stomaco sono presenti dei microorganismi che sintetizzano gli enzimi capaci di idrolizzare i legami β glicosidici.

27 I Polisaccaridi Alcuni polisaccaridi si legano alle proteine delle membrane cellulari formando le glicoproteine. La classificazione del sangue umano nei quattro gruppi sanguigni A, B, AB, 0 è dovuta alle diverse glicoproteine presenti sulla superficie dei globuli rossi. Se un organismo riceve sangue non compatibile con il proprio, il suo sistema immunitario riconosce come estranei i globuli rossi con una diversa glicoproteina e sviluppa gli anticorpi che li distruggono.

28 I Lipidi I lipidi sono insolubili in acqua, ma sono solubili in solventi organici apolari. Le loro molecole infatti sono caratterizzate dalla preminenza di una parte idrocarburica, che è apolare. Sono lipidi: i grassi, gli oli, le cere, le vitamine liposolubili, gli ormoni steroidei, alcuni costituenti delle membrane cellulari.

29 I Lipidi I lipidi svolgono quindi diversi ruoli nelle cellule: ruolo di riserva energetica: ogni grammo di sostanza grassa libera circa 40 kj di energia; ruolo strutturale: sono i costituenti delle membrane cellulari; ruolo funzionale: ormoni, vitamine, sali biliari svolgono funzioni essenziali per la vita.

30 I Lipidi I GRASSI ANIMALI e gli OLI VEGETALI sono i lipidi più diffusi in natura. A temperatura ambiente, i grassi sono solidi, mentre gli oli sono liquidi.

31 I Lipidi Grassi e oli sono trigliceridi, cioè triesteri della glicerina (glicerolo): I trigliceridi si formano dalla reazione di esterificazione della glicerina con tre molecole di acidi grassi, le cui catene R-, R -, R - possono essere sature o insature.

32 I Lipidi

33 I Lipidi I trigliceridi con una percentuale relativamente alta di acidi grassi insaturi, come gli acidi oleico, linoleico e linolenico, sono liquidi a temperatura ambiente. Gli acidi grassi insaturi naturali hanno configurazione cis intorno ai doppi legami. Essi sono essenziali nella dieta umana, perché permettono la sintesi delle prostaglandine.

34 Le Cere Le CERE sono monoesteri di acidi grassi a lunga catena (da 26 a 34 atomi di carbonio) con alcoli a lunga catena (da 16 a 22 atomi di carbonio) contenenti un solo gruppo ossidrilico. Sono impermeabili all acqua e hanno funzione protettiva. Rivestono la pelle di molti animali, penne e piume degli uccelli, e foglie e frutti di molte piante.

35 I Fosfolipidi Mentre i grassi, gli oli e le cere sono esteri di acidi carbossilici (gli acidi grassi), i fosfolipidi sono esteri dell acido fosforico, H 3 PO 4

36 I Fosfolipidi I fosfogliceridi sono fosfolipidi con una struttura simile a quella di un grasso. Il gruppo X ha spesso natura ionica.

37 I Fosfolipidi Le molecole di fosfogliceridi hanno, quindi, una testa ionica e due lunghe code idrocarburiche apolari.

38 I Fosfolipidi

39 I Fosfolipidi Le membrane cellulari sono formate da un doppio strato di fosfogliceridi, le cui code apolari sono rivolte verso l interno dello strato mentre le teste polari sono rivolte verso i mezzi acquosi.

40 I Fosfolipidi Nelle membrane cellulari, il doppio strato lipidico isola la cellula all ambiente circostante e regola lo scambio dei materiali tra la cellula e l ambiente extracellulare.

41 Gli Steroidi Colesterolo Gli steroidi hanno una struttura costituita da quattro anelli uniti tra di loro. Ormoni steroidei Il colesterolo si trova nelle membrane delle cellule animali ed è usato per costruire gli ormoni steroidei importanti per la crescita e lo sviluppo sessuale.

42 Le Proteine Le PROTEINE sono presenti in ogni tipo di cellula. Esse hanno sia un ruolo strutturale sia ruoli fondamentali nello svolgimento delle normali funzioni dell organismo.

43 Le Proteine Gli enzimi, molti ormoni e l emoglobina sono proteine. Modello a sfere e bastoncini dell emoglobina umana.

44 Le Proteine Le proteine sono biopolimeri a catena lineare, i cui monomeri sono gli amminoacidi. Esistono in natura solo una ventina di amminoacidi, ma possono legarsi dando luogo a infinite combinazioni. I peptidi sono formati da pochi amminoacidi. I polipeptidi possono contenere fino a 50 amminoacidi. Le proteine ne possono contenere anche

45 Gli Amminoacidi L amminoacido contiene un gruppo amminico -NH 2 e un gruppo carbossilico - COOH. Il gruppo R- legato al carbonio è diverso per ciascun amminoacido. Ad eccezione della glicina, in cui R = H, tutti gli amminoacidi hanno un atomo C asimmetrico e quindi sono otticamente attivi. Tutti gli amminoacidi naturali hanno configurazione assoluta L.

46 Gli Amminoacidi L azoto del gruppo amminico può accettare un protone e diventare -NH 3+, il gruppo carbossilico può cedere un protone e diventare COO -. Un amminoacido può quindi comportarsi sia da acido sia da base.

47 Gli Amminoacidi Le proprietà dell amminoacido dipendono dalla natura della catena laterale R e in particolare dalla sua polarità o apolarità. Quanto più la catena è polare, tanto più l amminoacido interagisce con l acqua.

48 Gli Amminoacidi

49 Gli Amminoacidi Nel processo di formazione delle proteine, il carbossile di un amminoacido reagisce con il gruppo amminico di un secondo amminoacido: Si libera una molecola d acqua (reazione di condensazione) e la formazione di un legame ammidico (-CO-NH-), chiamato LEGAME PEPTIDICO.

50 Gli Amminoacidi Si è così formato un dipeptide. Alle sue estremità ci sono un gruppo carbossilico e un gruppo amminico che possono reagire con due amminoacidi. La catena può quindi allungarsi sia da una parte che dall altra. Con venti diversi amminoacidi si può formare un numero infinito di proteine. L evoluzione ha però selezionato un numero limitato di possibili combinazioni.

51 La Struttura delle Proteine Le proteine sono le biomolecole che svolgono il maggior numero di funzioni diverse, grazie sia alle loro diverse combinazioni di amminoacidi sia al tipo di struttura che assumono nello spazio. Ogni proteina ha una propria conformazione, cioè una forma tridimensionale caratteristica nella quale si riconoscono diversi livelli di organizzazione.

52 La Struttura delle Proteine La STRUTTURA PRIMARIA è caratterizzata dalla successione degli amminoacidi all interno del polimero. A livello della struttura primaria distinguiamo l ossatura polipeptidica dalla quale sporgono le catene laterali. Queste ultime, interagendo fra loro, per mezzo di legami deboli definiscono la struttura tridimensionale della proteina.

53 La Struttura delle Proteine La STRUTTURA SECONDARIA di una proteina consiste nella regolare ripetizione di ripiegamenti caratteristici che interessano regioni diverse della catena polipetidica. Esistono due tipi principali di struttura secondaria, entrambi determinati dalla formazione di legami a idrogeno fra gli amminoacidi che formano la struttura primaria.

54 La Struttura delle Proteine Quando si confrontano le strutture tridimensionali di molte molecole proteiche spesso si trovano in parti di esse due schemi regolari di ripiegamento: α-elica FOGLIETTO β

55 La Struttura delle Proteine La STRUTTURA TERZIARIA descrive l organizzazione tridimensionale della proteina determinata dalla formazione di legami deboli tra le catene laterali dei vari aminoacidi (legami idrogeno, legami ionici, attrazioni di Van der Waals, interazioni idofobiche).

56 Alcune proteine sono costituite da più di una catena polipeptidica associata ad una macromolecola funzionale. Questa organizzazione,detta STRUTTURA QUATERNARIA, si basa sull aggregazione di più subunità che hanno già assunto la propria struttura terziaria. La Struttura delle Proteine

57 La Struttura delle Proteine La configurazione, cioè la forma della proteina, dipende dalla struttura primaria ed è essenziale per la sua funzione. La denaturazione è la perdita della struttura secondaria e terziaria di una proteina, causata da calore, radiazioni, sostanze chimiche. Una proteina denaturata non funziona più.

58 Gli Acidi Nucleici Gli acidi nucleici sono il DNA e l RNA. Sono i depositari dell informazione genetica, cioè della trasmissione dei caratteri ereditari. Controllano la sintesi delle proteine. Sia il DNA che l RNA sono polimeri lineari le cui subunità fondamentali sono i nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da: una base organica azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio, un gruppo fosfato.

59 Gli Acidi Nucleici Vi sono quattro tipi di base nel DNA: due basi puriniche, adenina e guanina, e due pirimidiniche, citosina e timina. Nell RNA, la timina è sostituita dall uracile.

60 Gli Acidi Nucleici Lo zucchero dell RNA è il ribosio, per il DNA è il 2-deossiribosio (2-deossi significa che sul carbonio 2 manca l atomo di ossigeno).

61 Gli Acidi Nucleici Nel 1953 J. Watson e F. Crick, di Cambridge, proposero la struttura a doppia elica per il DNA. Il DNA è formato da due filamenti di nucleotidi uniti da legami a idrogeno tra le basi azotate, che si appaiano secondo lo schema A-T e G-C. Contiene le informazioni necessarie per sintetizzare le proteine dell organismo.

62 Gli Acidi Nucleici

63 Gli Acidi Nucleici L RNA è invece costituito da un singolo filamento. L RNA trasporta le istruzioni per la sintesi proteica dal DNA ai ribosomi, dove gli amminoacidi vengono assemblati a formare le proteine.