D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

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1 Corso di Biochimica Generale Donatella Caruso ( (Segreteria 18391) Riceve su appuntamento telefonico o

2 Corso di Biochimica Generale Le lezioni si svolgeranno: Martedì 15,30-17,3017,30 via Celoria aula 405 Mercoledì 10,30-12,3012,30 via Colombo aula C13 Giovedì 13,30-15,3015,30 via Colombo aula C13

3 Cos è la Biochimica? Una scienza che dimostra come tutte le biomolecole, di per se inanimate, che costituiscono gli organismi viventi interagiscono tra loro per mantenere e perpetuare la vita utilizzando quelle leggi chimiche e fisiche che governano l universo non vivente D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

4 Principi di bioenergetica Il programma Variazione di energia libera ( G ) Composti fosforilati e tioesteri ad alto contenuto energetico Reazioni accoppiate Carboidrati Lipidi Monosaccaridi aldosi e chetosi, aminozuccheri, acidi uronici e sialici Disaccaridi: legame glicosidico Polisaccaridi (glicogeno, amido, cellulosa) Acidi grassi saturi e insaturi (nomenclatura, numerazione carbossilica e, funzioni) Struttura e funzione di trigliceridi, glicero e sfingofosfolipidi, glicosfingolipidi e colesterolo, acidi biliari, ormoni steroidei Gli aggregati lipidici: micelle, liposomi, lipoproteine

5 Aminoacidi struttura generale, classificazione e proprietà il legame peptidico Proteine Strutture I- II- III e IV e proprietà Proteine globulari (Mioglobina ed Emoglobina) Proteine fibrose (collagene, elastina, cheratine, glicoproteine e glicosaminoglicani) I citocromi Enzimi Classificazione Cinetica enzimatica Meccanismi di inibizione e di enzimatica Enzimi allosterici, zimogeni, isoenzimi Cofattori e coenzimi regolazione dell attività

6 Membrane Modello a mosaico fluido e proprietà Trasporto di membrana (diffusione, trasporto attivo, proteine canale ) Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa Acidi nucleici Struttura di DNA e RNA Duplicazione, mutazioni e processi di riparazione del DNA Trascrizione e sua regolazione in procarioti ed eucarioti Traduzione e modificazioni post-traduzionalitraduzionali delle proteine

7 Corso di Biochimica Generale testi consigliati Biochimica Medica. Siliprandi & Tettamanti. Piccin Ed., ultima edizione. Biochimica. Berg, Tymoczko & Stryer. Zanichelli, ultima edizione. I principi di Biochimica del Lehninger. Nelson & Cox. Zanichelli, ultima edizione.

8 Corso di Biochimica Generale l esame E prevista una prova scritta (domande a scelta multipla) e una orale (dopo superamento della prova scritta)

9 Buon lavoro!

10 Gli organismi viventi richiedono energia Metabolismo (catabolismo + anabolismo) = organizzazione della materia Fondamenti di Biochimica Voet, Voet e Pratt, Zanichelli Reazioni chimiche Eventi naturali Energia rifornita dall'esterno

11 Principi di bioenergetica: la termodinamica Tutte le trasformazioni energetiche che avvengono in natura seguono le leggi della termodinamica e gli esseri viventi non sfuggono a questi principi. Le cellule sono trasduttori (trasformatori) di energia estremamente efficaci e quindi li consideriamo sistemi termodinamici che operano a temperatura costante.

12 Mettiamoci d accordo sui termini La parte dell universo sotto investigazione si chiama SISTEMA, mentre viene definito AMBIENTE l insieme di tutti gli oggetti che possono interagire con il sistema. Le grandezze macroscopiche che si usano per specificare lo stato di un sistema termodinamico sono le VARIABILI o FUNZIONI DI STATO (FdS; es. volume, pressione), spesso risultano collegate da relazioni matematiche dette EQUAZIONI DI STATO. Quando lo stato del sistema viene alterato, il cambiamento di ogni FdS dipende SOLO dallo stato iniziale e finale del sistema e non da come viene realizzato tale cambiamento.

13 Le trasformazioni biologiche dell energia seguono le leggi della termodinamica Le tre entità termodinamiche che descrivono le variazioni di energia che avvengono in una reazione chimica sono: Energia libera di Gibbs (G) Entalpia (H) Entropia (S)

14 La prima legge della termodinamica L energia totale di un sistema e del suo ambiente, una funzione di stato, viene conservata E = E finale - E iniziale = q w Ogni cambiamento dell E interna di un sistema, corrisponde alla quantità di calore q che viene aggiunto al sistema meno la quantità di lavoro w che viene eseguito dal sistema (che corrisponde ad energia ceduta dal sistema).

15 Cosa significa dal punto di vista della biochimica? L energia rilasciata nella formazione dei legami chimici può essere utilizzata per romperne altri, liberata come calore o immagazzinata sotto altre forme.

16 L Entalpia (H) è il contenuto termico del sistema che sta reagendo: riflette il numero ed il tipo dei legami chimici dei reagenti e dei prodotti. Quando una reazione rilascia calore è detta esotermica; se il contenuto termico dei prodotti e minore di quello dei reagenti, H è negativo. Un sistema che assorbe calore è detto endotermico e presenta un H positivo.

17 Il secondo principio della termodinamica: la tendenza naturale dell universo è sempre verso il massimo disordine La casualità o il disordine dei componenti di un sistema è definita come Entropia (S), ogni cambiamento della casualità del sistema è espresso come variazione di entropia ( S) che per convenzione ha valore positivo quando il disordine aumenta.

18 Una trasformazione in cui si verifica la condizione favorevole di H < 0 (H = entalpia) e S > 0 (S = entropia) è sicuramente spontanea, mentre tale trasformazione non può avvenire se si verifica le condizione contraria H > 0 e S< S<0. Non si può prevedere nulla invece in tutte le trasformazioni in cui solo una delle due funzioni è favorevole. La formula che, a pressione e temperatura costanti (condizioni standard), fornisce la quantità di energia libera rilasciata o assorbita dal sistema è: G = H - T S

19 Le trasformazioni accompagnate da variazioni negative dell energia libera si dicono ESOERGONICHE e sono termodinamicamente favorite, mentre le trasformazioni accompagnate da variazioni positive dell energia libera si dicono ENDOERGONICHE e sono termodinamicamente sfavorite (è favorita la reazione inversa). Se H = T S allora G = 0 il sistema è all equilibrio. In questa condizione la reazione è reversibile, cioè, può essere spostata in qualsiasi direzione da una spinta infinitesimale in un senso o nell altro. Il segno del G di un processo indica se questo processo sia termodinamicamente favorito. Il valore assoluto del G è indicazione di quanto il processo sia lontano dall equilibrio.

20 Per riassumere: Non è possibile predire la spontaneità di un processo utilizzando solo S o solo H Un G negativo non garantisce che la reazione possa procedere con velocità misurabile!!! Misura del disordine dell universo

21 Spontaneità di una reazione Un processo spontaneo è una reazione chimica in cui il sistema rilascia energia libera (spesso sotto forma di calore) e si sposta ad uno stato energetico più basso, termodinamicamente più stabile. Le reazioni di questo tipo avvengono naturalmente con il corso del tempo ed in precise condizioni di pressione e temperatura.

22 Spontaneità di una reazione Quando le reazioni sono più complesse, dobbiamo introdurre una costante (l energia libera standard, G ) che valuti la differenza di E libera tra i prodotti e i reagenti in condizioni standard: 1 atm, 1M, 298 K. E una funzione tabulata. G = G + RT ln K eq dove K eq = [C] c [D] d /[A] a [B] b All equilibrio G = 0, quindi G = - RT ln K eq K eq = e - G /RT

23 Le costanti standard trasformate In realtà, in biochimica le condizioni standard sono state modificate (es. ph=7) sulla base delle esigenze biologiche. Per distinguerla dal G usato da fisici e chimici, la costante trasformata si definisce con il simbolo G. G di una reazione è semplicemente un modo matematico alternativo di esprimere la sua costante di equilibrio G = - RT ln K K eq G è indipendente dalla via seguita dalla trasformazione (meccanismo molecolare) e NON fornisce informazioni sulla velocità di reazione

24 Ma da dove posso prendere l energia per far avvenire le reazioni biochimiche?

25 I COMPOSTI ENERGIA AD ALTA Alcune molecole hanno un energia standard di idrolisi fortemente negativa ( G 0 ), ossia i prodotti di reazione hanno contenuto energetico molto minore di quello del substrato di partenza. Il composto in sé non ha più energia, né il legame è un legame speciale (anzi la rottura di un legame costa sempre energia). E il G 0 di idrolisi ad essere altamente esoergonico.

26 MOLECOLE AD ALTA ENERGIA E RELATIVI G 0 COMPOSTO FOSFORILATO kj/mole Fosfoenolpiruvato ,3bifosfoglicerato ( 3fosfoglicerato +Pi) Fosfocreatina ADP ( AMP+ Pi) ATP( ADP+ Pi) ATP( AMP+ PPi) AMP ( adenosina+ Pi) PPi( 2Pi) Glucosio-1-P Fruttosio-6-P Glucosio-6-P Glicerolo-1-P -9.2 Acetil-CoA -31.4

27 L'energia libera è addittiva (i valori dell'energia libera sono espressi in KJ. Ricordiamo che dividendo per 4.18 otteniamo le Kcal.) Glucosio + Pi Glucosio 6P + H 2 O G = + 14 kj/mole ATP + H 2 O ADP + Pi G = - 30 kj/mole Glucosio + ATP Glucosio 6P + ADP G = 14 + (- 30)= - 17 kj (-4 Kcal/mole) Vantaggi: Se l idrolisi di una mole di ATP non basta a soddisfare la richiesta energetica, se ne possono impiegare di più Il G negativo rende irreversibile la reazione

28 ATP Composto ad alto contenuto energetico (e alto potenziale di trasferimento ) pdf/12873pagine.pdf

29 Tre possibili posizioni sull ATP per l attacco nucleofilo OR + ADP Tr asf er iment o del gr uppo f osf or ico OR + AMP Tr asf er iment o del gr uppo pir of osf or ico RO + PPi Tr asf er iment o del gr uppo adenil ico D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli, 2006

30 Altri fattori possono modificare il valore di G 0. Ad esempio la presenza di ioni Mg ++ può mascherare cariche negative modificando i gruppi fosforici

32 Trasferimento del gruppo adenilico/guanilico: la sintesi dei nucleotidi per l allungamento della catena degli acidi nucleici D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

33 Tioesteri: composti ad elevata energia di idrolisi Il coenzima A (spesso indicato come CoA, CoASH, o HSCoA) è una molecola fondamentale nel metabolismo: decarbossilazione ossidativa piruvato (1 tappa del metabolismo energetico mitocondriale); Attivazione e -ossidazione degli acidi grassi, ciclo di Krebs

34 Tioesteri: composti ad elevata energia di idrolisi Dal valore di G 0 si deduce che l'idrolisi del tioestere è una reazione termodinamicamente favorita D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

35 I tioesteri rispetto agli esteri hanno un livello energetico più alto. Negli esteri vi è una delocalizzazione degli elettroni π, che conferisce carattere di parziale doppio legame al C-O. Nei tioesteri, le maggiori dimensioni dell S riducono il grado di delocalizzazione, risulta quindi ridotto il grado di stabilizzazione per risonanza quindi G 0 di idrolisi maggiore.

36 Il carbossile non è molto reattivo quindi si aggiungono molecole come il CoA per generare tioesteri ad alta energia L energia consumata sottoforma di ATP, viene in realtà recuperata dal legame tioestereo del CoA.