Appunti di Biochimica Per le Lauree Triennali MV Catani, I Savini, P Guerrieri L Avigliano Piccin Editrice

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1 Appunti di Biochimica Per le Lauree Triennali MV Catani, I Savini, P Guerrieri L Avigliano Piccin Editrice Questo testo è consigliato per chi deve comprarlo, per gli altri va bene qualunque testo. scaricato da

2 Tutto ciò che ci circonda dalla impalpabile aria che ci avvolge al suolo su cui posiamo, è fatto di materia. In fisica classica, con il termine materia si indica genericamente qualsiasi cosa che abbia massa e occupi spazio; oppure, alternativamente, la sostanza di cui gli oggetti fisici sono composti, escludendo l'energia dovuta al contributo dei campi delle forze. La parola materia deriva dal latino mater (madre), che suggerisce come essa venga considerata il fondamento costituente di tutti i corpi e di tutte le cose scaricato da

3 Il passaggio da uno stato all altro richiede una modifica dell energia perché cambiano le relazioni tra le molecole, ma è sempre reversibile. Es. acqua, ghiaccio, vapore acqueo.

4 Es. H2O, diversa da H2 e O2 Es. NaCl Na + Cl - L atomo può esistere sotto forma di isotopi diversi come ad es l H 1, il deuterio H 2 e il Trizio H 3. scaricato da

5 LEGAME CHIMICO Si ha un legame chimico quando una forza di natura elettrostatica tiene uniti più atomi in una molecola o in un cristallo (legami forti, o intramolecolari) o più molecole in una sostanza allo stato condensato (legami deboli, o intermolecolari). I legami chimici "più forti" hanno un contenuto energetico maggiore e sono più difficili da rompere, mentre i legami "più deboli" hanno un contenuto energetico minore e sono più facili da rompere. Da ciò deriva che le molecole che hanno al loro interno legami chimici più deboli sono più instabili. Inoltre tanto più un legame è forte, tanto minore è la lunghezza del legame, essendo la forza che tiene uniti gli atomi maggiore. I legami chimici forti sono le forze che tengono uniti gli atomi che formano le molecole. Un legame forte è attuato dalla condivisione o dal trasferimento di elettroni tra atomi e dall'attrazione elettrostatica tra protoni ed elettroni. scaricato da

6 LEGAME COVALENTE Il legame covalente è il legame che si instaura tra due atomi appartenenti alla categoria dei non metalli, uguali o aventi differenza di elettronegatività - che mettono in compartecipazione una coppia di elettroni (detti coppia di legame) in un orbitale esterno che abbraccia entrambi gli atomi. Il legame covalente viene rappresentato da un trattino che congiunge i due atomi legati. Un legame covalente puro (o omopolare) è un legame covalente che s'instaura fra due atomi appartenenti allo stesso elemento. In pratica si stabilisce una interazione (cioè il legame) tra atomi dello stesso tipo: è il caso tipico dell'idrogeno, dell'ossigeno, dell'azoto atmosferico, ecc scaricato da

7 SECONDO LA TEORIA DEL LEGAME DI VALENZA la formazione di un legame covalente viene interpretato in termini di sovrapposizione tra gli orbitali dei due atomi impegnati nel legame: Si ha, quindi, la formazione di una regione ad alta densità elettronica come risultato della compenetrazione delle nuvole elettroniche. Il legame ottenuto è tanto più forte quanto più efficace è la sovrapposizione degli orbitali. scaricato da

8 LEGAME POLARE Il legame covalente polare si instaura tra due atomi con differenza di elettronegatività media. In questo caso, gli elettroni coinvolti nel legame risulteranno maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo, il legame risulterà quindi polarizzato elettricamente, cioè ognuno degli atomi coinvolti nel legame presenterà una carica elettrica parziale. scaricato da

9 LEGAME di COORDINAZIONE È un tipo particolare di legame covalente detto, in passato, dativo in quanto i due elettroni coinvolti nel legame provengono da uno solo dei due atomi detto donatore (in sostanza tale atomo "dona" il suo coppia cioè entrambi gli elettroni appaiati presenti in un suo orbitale), mentre l'altro, che deve essere in grado di mettere a disposizione un orbitale esterno vuoto (cioè con due posti vuoti che possono essere occupati da due elettroni) oppure di riorganizzare la sua configurazione elettronica per accogliere la coppia di elettroni (cioè ad esempio spostare due elettroni presenti su di un orbitale dispari su di un altro orbitale dispari, liberando di fatto un orbitale) viene detto accettore. Il legame dativo può essere rappresentato con una freccia, dal donatore all'accettore, o più impropriamente può essere indicato con un doppio trattino. scaricato da

10 Legame metallico La forma più estrema di delocalizzazione del legame covalente si ha nel legame metallico. Secondo questo modello un metallo può essere rappresentato come un reticolo cristallino di ioni positivi tenuti uniti da una nube di elettroni condivisi estesa a tutto il reticolo; essendo tali elettroni non legati a nessun atomo particolare, risultano essere estremamente mobili; tale mobilità è responsabile della elevata conducibilità elettrica dei metalli scaricato da

11 LEGAME IONICO Il legame ionico è un legame tra ioni con carica di segno opposto. Tali ioni si formano da atomi aventi differenza di elettronegatività superiore al limite convenzionale, in queste condizioni, l'atomo più elettronegativo (quindi caratterizzato da una bassa energia di ionizzazione) priva l'altro atomo meno elettronegativo, di un elettrone; il primo atomo diventa uno ione con carica negativa, il secondo uno ione con carica positiva. Questo legame è di natura prettamente elettrostatica; l'arrangiamento degli atomi nello spazio non ha la direzionalità del legame covalente: il campo elettrico generato da ciascuno ione si diffonde simmetricamente nello spazio attorno ad esso. E' il tipo più semplice di legame chimico, sia dal punto di vista concettuale sia da quello della sua descrizione analitica, essendo interpretabile in base alle leggi classiche dell'elettrostatica. scaricato da

12 LEGAME A IDROGENO Un caso particolare di legame intermolecolare, che può anche essere intramolecolare quando la geometria della molecola lo consente, è il legame idrogeno. Un atomo di idrogeno legato ad un atomo di ossigeno (o di fluoro), a causa della sua polarizzazione positiva e delle sue ridotte dimensioni, attrae con un'intensità relativamente elevata gli atomi di ossigeno (e di fluoro e, in misura minore, di azoto) vicini. Tale legame, benché debole, è responsabile della conformazione spaziale delle proteine e degli acidi nucleici, conformazione da cui dipende l'attività biologica dei composti stessi. Come ordine di grandezza, l'entità delle varie forze di legame può essere indicato dalla seguente tabella: δ+ δ- δ+ δ- H----X...H----Cl scaricato da

13 il carbonio forma sempre 4 legami. Gli idrocarburi sono i più semplici composti del carbonio con l'idrogeno. Sono le molecole di base della chimica organica poiché, oltre ad essere molto numerosi, tutti gli altri composti si possono considerare come derivati da essi per sostituzione di un atomo di idrogeno con un cosiddetto gruppo funzionale, quel gruppo chimico, cioè, che conferisce al composto proprietà caratteristiche, diverse da quelle dell'idrocarburo di origine e peculiari di una classe di composti. I composti organici possono essere suddivisi in tre grandi gruppi: Alifatici e Aliciclici Aromatici Eterociclici scaricato da

14 Il primo gruppo comprende i composti alifatici (dal greco "aleifar" = olio, grasso), sinonimo di composti a catena aperta (detti anche aciclici) e gli aliciclici, o ciclici, composti chiusi ad anello, con proprietà relativamente simili agli alifatici. Gli idrocarburi alifatici si suddividono a loro volta in alcani, alcheni e alchini (figura 1.1). scaricato da

15 Alcani scaricato da

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17 Gli alchini sono gli idrocarburi caratterizzati dal triplo legame carbonio-carbonio. A differenza del doppio legame che si incontra in numerose molecole di interesse biologico, il triplo legame è assai raro nel regno vivente. Per questo motivo, ci limiteremo solo a poche nozioni su questi composti. Il primo termine della serie è l'acetilene o etino, H-C = C-H. Per quel che riguarda la nomenclatura, si fa riferimento al corrispondente alchene di pari numero di atomi di carbonio, cui si sostituisce la desinenza ene con ino. A differenza di alcani e alcheni, che sono tra le sostanze meno acide che si conoscano, gli alchini sono caratterizzati da una debole acidità: l'atomo di carbonio impegnato nel triplo legame si comporta infatti come se fosse più elettronegativo di un carbonio impegnato in un legame semplice o doppio. Per questo motivo gli alchini possono reagire con i metalli dei gruppi IA e IIA (ad esempio, Na e Ca) per dare composti di natura ionica: acetiluri e carburi: = scaricato da

18 I cicloalcani appartengono alla categoria degli idrocarburi aliciclici, quei composti cioè caratterizzati da una struttura ad anello costituito esclusivamente da atomi di carbonio. Vengono anche detti omocicli, in contrapposizione agli eterocicli, il cui anello contiene anche atomi diversi dal carbonio. Hanno caratteristiche che ricordano in larga parte quelle degli idrocarburi alifatici. Dato il loro limitato interesse biologico, ci occuperemo quasi esclusivamente della loro struttura, in particolar modo di quella del cicloesano, la cui conoscenza ci sarà utile in seguito per comprendere meglio la struttura dei monosaccaridi. Per quanto riguarda la nomenclatura, basta anteporre il prefisso ciclo- al nome del corrispondente idrocarburo alifatico. La loro struttura si può rappresentare semplicemente con una figura geometrica, omettendo gli atomi di carbonio dell anello e gli idrogeni ad essi legati: Si dovranno tuttavia mettere in evidenza eventuali sostituenti: scaricato da

19 Il termine «aromatico» fu usato inizialmente per designare i composti organici dotati di odore gradevole. Oggi il termine ha piuttosto un significato strutturale, poiché con esso si indicando molecole caratterizzate da un particolare assetto elettronico, che conferisce loro un determinato comportamento chimico. Il primo a ipotizzare che il benzene avesse una struttura ciclica fu Kekulé (1865). Successivamente, egli suggerì che la molecola si trovasse in uno stato di equilibrio tra due forme; un equilibrio talmente rapido che nessuna delle due poteva essere isolata: scaricato da

20 I dati sperimentali sono perfettamente in linea con questa rappresentazione: ogni legame C-C è equivalente e la lunghezza di legame (1.39Å) è intermedia a quella prevista per un legame semplice (1.54Å) e uno doppio (1.33Å), la forma è quella di un esagono regolare. Ogni carbonio ha ibridazione sp2 e i rimanenti orbitali p non ibridati. I sei elettroni rimanenti possono delocalizzarsi in un unico orbitale π esteso a tutto l'anello. È allo scopo di mettere in evidenza questo aspetto che si usa rappresentare il benzene come un esagono con un cerchio al centro. In questa osservazione è implicito che la molecola del benzene è molto più stabile di quello che ci si aspetterebbe per strutture come quelle rappresentate dalle formule canoniche di risonanza. L'aspetto veramente notevole, legato al fenomeno dell'aromaticità, è proprio l'elevato valore dell'energia di risonanza della molecola del benzene. Si preferisce in questo caso parlare di stabilizzazione per delocalizzazione, piuttosto che di stabilizzazione per risonanza. È allo scopo di mettere in evidenza questo aspetto che si usa rappresentare il benzene come un esagono con un cerchio al centro. scaricato da

21 COMPOSTI CARBONILICI Composti organici caratterizzati dal gruppo funzionale carbonilico. Il gruppo carbonilico è planare, con angoli di legame di 120. Il doppio legame C=O consiste in un legame σ (sovrapposizione di due orbitali ibridi sp 2 ) e in un legame π (sovrapposizione di due orbitali p). scaricato da

22 COMPOSTI CARBONILICI FORMULA FAMIGLIA FORMULA FAMIGLIA O O R C Aldeidi R C Esteri H O R O O R C Chetoni R C Ammidi R NH 2 R C O Acidi Carbossilici scaricato da OH

23 ALDEIDI E CHETONI ALDEIDI Nelle aldeidi, il gruppo carbonilico è legato ad un atomo di idrogeno e ad un atomo di carbonio. Nella formaldeide, l aldeide più semplice, il gruppo carbonilico è legato a due atomi di idrogeno. CHETONI Nei chetoni, il gruppo carbossilico è legato a due atomi di carbonio. In figura: Propanone o Acetone In figura: Etanale o Acetaldeide scaricato da

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28 Le reazioni della chimica organica Le reazioni della chimica organica implicano normalmente la rottura di legami e la formazione di nuovi. Poiché il legame è sempre formato da una coppia di elettroni condivisa da due atomi (A:B), esso può scindersi essenzialmente in due modi: 1) OMOLITICO o RADICALICO. In questo caso, ciascun atomo si prende un elettrone (A:B A + B ) e si formano dei radicali. La formazione di radicali è un processo che richiede una certa energia: è favorita dal calore e dai raggi U.V.) 2) ETEROLITICO o IONICO. In questo caso il doppietto è preso interamente da uno dei due atomi e si formano quindi un anione e un catione (A:B A: + B+). scaricato da

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30 Gli aminoacidi (o amminoacidi) sono l'unità strutturale primaria delle proteine. Possiamo quindi immaginare gli aminoacidi come mattoncini che, uniti da un collante chiamato, legame peptidico formano una lunga sequenza che dà origine ad una proteina. All'interno dello stomaco e del duodeno questi legami vengono rotti ed i singoli aminoacidi giungono sino all intestino tenue dove vengono assorbiti come tali ed utilizzati dall'organismo. Dal punto di vista chimico l'aminoacido è un composto organico contenente un gruppo carbossilico (COOH) ed un gruppo aminico (NH2). Oltre a questi due gruppi ogni aminoacido si contraddistingue dagli altri per la presenza di un residuo (R) conosciuto anche con il nome di catena laterale dell'aminoacido. scaricato da

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43 Tutti gli amino acidi hanno la stessa struttura generale ma ciascuno differisce per il gruppo R scaricato da

44 Amino acidi idrofobici e amino acidi speciali scaricato da

45 Amino Acidi Idrofilici

46 I legami peptidici uniscono gli amino acidi in catene lineari scaricato da

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48 Struttura primaria E data dalla sequenza degli aminoacidi che costituiscono una catena peptidica. Ogni proteina è caratterizzata dall avere una specifica composizione in aminoacidi, e da un ben preciso ordine con cui questi si susseguono lungo la catena. La struttura primaria è determinata geneticamente: le sequenze aminoacidiche delle proteine di un individuo si trovano depositate, in codice, in altrettanti tratti del suo DNA, geni. scaricato da

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53 Una proteina ha una catena principale ripetitiva (nero) e catene laterali variabili (verde) scaricato da

54 Le proteine hanno una direzione

55 I legami peptidici sono planari

56 Distanze fra atomi che caratterizzano il legame peptidico

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58 Struttura secondaria Lunghe catene di amminoacidi si piegano (fold) o si arricciano (curl) in una struttura regolare che si ripete. La struttura è il risultato della formazione di legami idrogeno tra gli amminoacidi della proteina. Tra le strutture secondarie comuni troviamo Le eliche alfa I foglietti beta pieghettati Queste strutture secondarie sono responsabili della rigidità delle proteine, scaricato da

59 Una comune struttura secondaria Proprietà dell alfa-elica: Resistenza e solubilità in acqua Proposta nel 1951 da Pauling e Corey scaricato da

60 Asse immaginario intorno al quale si avvolge l a-elica Ogni idrogeno ammidico è coinvolto in un legame idrogeno con il carbonile di un altro amminoacido posto 3,6 aa più in basso la distanza tra due anse è il passo dell elica scaricato da

61 Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei legami ad idrogeno, ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet)

62 Come si orientano i legami negli amminoacidi? alfa elica Guardate i carbonili! Nell alfa elica puntano nella stessa direzione, mentre nei foglietti pieghettati sono alternati scaricato da

63 Ad esempio la seta. Le proteine della seta sono un esempio di foglietto pieghettato Sono composte principalmente da glicina e alanina scaricato da

64 Struttura terziaria Riguarda tutte le possibili interazioni tra i gruppi R. Nessun legame covalente. Un eccezione è il ponte disolfuro tra due cisteine. La struttura terziaria è responsabile della forma della proteina nello spazio: - Globulare (enzimi, mio- e emoglobina) - Fibrosa (Fibroina, elastina, cheratina, collageno) scaricato da

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67 I residui di cisteina possono formare ponti disolfuro intra o extra catena scaricato da

68 Aminoacidi non proteici

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70 Classificazione degli aminoacidi Nella sintesi proteica intervengono solo venti dei diversi aminoacidi esistenti in natura (attualmente oltre cinquecento). Dal punto di vista nutrizionale questi aminoacidi possono essere a loro volta divisi in due grandi gruppi: quello degli aminoacidi essenziali e quello degli aminoacidi non essenziali. Aa essenziali per l uomo: fenilalanina, isoleucina, lisina, leucina, metionina, treonina, triptofano e valina scaricato da

71 Sono definiti essenziali quegli aminoacidi che l organismo umano non riesce a sintetizzare in quantità sufficiente a far fronte ai propri bisogni. Amminoacidi essenziali: fenilalanina, isoleucina, lisina, leucina, metionina, treonina, triptofano e valina Amminoacidi semiessenziali: cisteina e la tirosina, in quanto l organismo li può sintetizzare a partire da metionina e fenilalanina. Aminoacidi condizionatamente essenziali: arginina, glicina, glutamina, prolina e taurina, quegli aminoacidi che ricoprono un ruolo fondamentale nel mantenimento dell omeostasi e delle funzioni dell organismo in determinate situazioni fisiologiche. In alcune condizioni patologiche questi aminoacidi possono non essere sintetizzati a velocità sufficiente per far fronte ai reali bisogni dell'organismo. scaricato da

72 L arginina sta assumendo notevole importanza, come precursore dell ossido nitrico, per le tante funzioni che quest ultimo esplica nell attività cellulare, nella trasduzione dei segnali biologici e nella difesa immunitaria. scaricato da

73 CONTENUTO IN AMINOACIDI ESSENZIALI: si possono definire complete o nobili quelle proteine che contengono tutti gli AA essenziali in quantità e in rapporti equilibrati. In generale le proteine animali sono complete e quelle vegetali sono incomplete. I legumi sono la carne dei poveri: questa affermazione serve a sottolineare che i legumi posseggono la maggior parte degli aa. necessari per la sintesi proteica con l eccezione dell ac. glutammico il quale può essere integrato utilizzando la combinazione legumi- carboidrati, cioè pasta e fagioli. Questo è un esempio di mutua integrazione, in realtà oltre che per completare il pool di aa. questo tipo di integrazione favorisce anche l introduzione nella dieta di una corretta quantità di vegetali. Proteine nobili: è stato introdotto impropriamente il termine "nobili per sottolineare la presenza di tutti gli aa. nella composizione delle proteine di origine animale. scaricato da

74 AMINOACIDO LIMITANTE: di una proteina o di una miscela proteica è l aminoacido essenziale carente o del tutto assente che limita l utilizzo di tutti gli altri aminoacidi anche se presenti in eccesso rispetto ai bisogni. Come abbiamo visto nelle proteine di origine vegetale questo aminoacido non è in genere sufficiente a garantire il fabbisogno e deve essere introdotto tramite l'abbinamento con altri cibi.

75 AMINOACIDI RAMIFICATI: sono tre aminoacidi (Valina, isoleucina e Leucina) che in particolari condizioni, come l'impegno fisico intenso, vengono utilizzati come substrato energetico ausiliario di grassi e carboidrati. scaricato da

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87 Idrossilazione della lisina

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94 Più di 1000 mutazioni nei 22 geni che cod. per il collageno e la sua sintesi, sono causa di molte patologie. La sindrome di Ehlers-Danlos (EDS) si origina da: Carenza di lisil/prolil idrossilasi o carenza di procoll. peptidasi, o da mutazioni puntiformi della sequenza aminoacidica. Mutazioni del collageno di tipo III, importante componente delle arterie, è causa di disturbi vascolari potenzialmente letali. Si associa anche a lassità della cute, oltre cha articolare. scaricato da

95 Osteogenesi imperfetta (OI) o sindrome delle ossa di vetro, comprende un gruppo eterogeneo di patologie ereditarie. Tipo I, OI tardiva, si manifesta nella prima infanzia con fratture secondarie a traumi di minore entità, si può ipotizzare se l ecografia prenatale mostra incurvature o fratture nelle ossa lunghe. OI di tipo II o congenita, I pazienti muoiono prima della nascita o subito dopo il parto per insufficienza respiratoria scaricato da

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97 L Elastina è un polimero insolubile formato da tropoelastina, una proteina lineare di 700aa., prevalentemente piccoli e apolari (gly, ala, val) Inoltre presenta pro, e lys, ma solo tracce di HyPro e manca di HYLYs. La tropoelastina viene secreta dalle cellule nello spazio extracellulare dove interagisce con una glicoproteina, la fibrillina, che ha funzione di impalcatura. Le lys di tre catene di tropoelastina vengono deaminate (D. Ossidativa) e le allisine di 3 catene di tropoelastina contigue con una lys, non modificata formano un legame crociato di desmosina scaricato da

98 Sindrome di Marfan dovuta ad una elastina sbagliata: Le cause: La MFS è una malattia genetica, dovuta all alterazione di un gene. All inizio degli anni 90, è stato identificato sul cromosoma 15 il difetto genetico che causa la MFS. Si tratta di alterazioni (mutazioni) del gene della fibrillina-1 (FBN1). La fibrillina-1 è una grossa glicoproteina, che costituisce una componente importante delle fibre elastiche presenti nel tessuto connettivo. Le mutazioni che causano la MFS, e quindi una fibrillina-1 difettosa, sono numerose: a tutt oggi sono note circa 500 diverse mutazioni del gene FBN1 e questo rende particolarmente difficile effettuare una diagnosi genetica per identificare la presenza di una mutazione. Mutazioni nel gene della fibrillina-1 sono responsabili anche di altre malattie come la lussazione isolata familiare del cristallino e, in parte, dell aneurisma aortico-toracico familiare. Disturbi cardiovascolari. I disturbi più severi riguardano il sistema cardiovascolare. Il problema maggiore è costituito dalla dilatazione dell aorta Disturbi dell apparato scheletrico. Le persone affette da MFS hanno un aspetto dinoccolato e longilineo, con arti e mani lunghe e sottili. Le articolazioni sono lasse, con lussazioni spesso ricorrenti. Spesso è presente piede piatto. Si possono avere anche deformità della gabbia toracica come il petto carenato (sterno all infuori) e il petto escavato (sterno verso l interno), e problemi alla spina dorsale come scoliosi e lordosi di gravità variabile. Un altro difetto frequente è la miopia. scaricato da

99 L antitripsina α (α1 ΑΤ), prodotta da fegato, ma anche monociti e macrofagi alveolari impedisce la degradazione dell elastina nelle pareti alveolari. Una α1-at difettosa può causare enfisema. scaricato da