Principi di Biochimica Augusto Innocenti Biologo Nutrizionista Perfezionamento in Biochimica e Biologia Molecolare Phd in Neurobiologia e Neurofisiologia Materia: Atomi e Molecole La materie è costituita da particelle elementari chiamati Atomi che legandosi tra di loro formano le Molecole. Nelle molecole gli atomi sono tenuti assieme da forze di vario tipo che formano i cosiddetti legami chimici. 1
Materia: Atomi e Molecole Gli Atomi sono costituiti da tre tipi di particelle: Protoni (carica positiva), Neutroni (carica neutra) ed Elettroni (carichi negativa). I protoni ed i neutroni formano il nucleo, attorno al quale girano gli elettroni. Materia: Atomi e Molecole Gli atomi si associano spontaneamente tra loro attraverso i legami chimici, formando le molecole I legami chimici sono le forze che tengono uniti gli atomi che formano le molecole. Un legame è formato dalla condivisione o dal trasferimento di elettroni tra atomi e dall'attrazione elettrostatica tra protoni ed elettroni 2
Materia: Atomi e Molecole Elementi: sostanze composte da un solo tipo di atomo es. H 2 O 2 O 2 H 2 Composti: sostanze composte da molecole che contengono più specie atomiche es. H 2 O. Materia: Atomi e Molecole L Energia di Legame è l energia necessaria per rompere un certo legame. Più è forte un legame chimico più alta sarà la sua energia di legame. La stabilità di una molecola, quindi, è tanto maggiore, quanto più alta è la sua energia di legame. 3
La propensione degli atomi a formare molecole può essere ricondotto alla tendenza di un sistema a raggiungere una situazione stabile, a minore contenuto di energia (II principio della Termodinamica). Infatti l energia della molecola così formata è inferiore rispetto a quella dei due atomi isolati. Allora, se due atomi posti a contatto reagiscono tra loro spontaneamente, si potrà scrivere: A + B = AB + energia + A B ENERGIA - AB Energia 4
Trasformazioni della materia in cui gli atomi, pur restando inalterati si legano e si ridistribuiscono in modo diverso da quello originario, formando così sostanze diverse da quelle di partenza. Le sostanze da cui si parte sono dette reagenti, le sostanze ottenute al termine della reazione sono dette prodotti. Una reazione chimica del tipo A B avviene perché una certa frazione della popolazione di molecole della sostanza A possiede abbastanza energia per raggiungere una condizione attivata (Stato di transizione) in cui vi è un alta probabilità che avvenga la formazione o la rottura di un legame chimico che ha come risultato la formazione della sostanza B. 5
Energia di Attivazione: Il composto X è in uno stato metastabile perché viene liberata energia quando è convertito nel composto Y. Affinché avvenga questa trasformazione ad X deve essere somministrata una certa energia per superare la barriera che lo separa dal composto Y. Reazioni esoergoniche: L energia dei prodotti è minore rispetto a quella dei reagenti: si ha una liberazione di energia verso l'esterno. Reazioni endoergoniche: L energia dei prodotti è maggiore rispetto a quella dei reagenti: si ha un assorbimento di energia dell'esterno. 6
Reazioni Accoppiate: A) Reazione spontanea che produce energia (calore); B)L energia prodotta da A viene in parte accumulata; C)L energia accumulata in B viene utilizzata per produrre lavoro in un altra reazione. Idrolisi: Rientrano sotto il generico nome di idrolisi (dal greco ydor, acqua, e lyo, sciogliere) diverse reazioni chimiche in cui una molecola viene scissa in due o più parti grazie all intervento di una molecola di acqua 7
Condensazione: Reazioni di unione di due o più molecole, fra loro uguali o diverse, accompagnata dall eliminazione di una molecola d acqua o di altre molecole a basso peso molecolare (alcool, ammoniaca ecc.). Ossidazione: In senso ristretto, reazione di combinazione dell ossigeno con un elemento o un composto. In senso più generale, la trasformazione durante la quale si ha perdita di elettroni da parte di una specie chimica, in un processo di ossidoriduzione (Redox). 8
Velocità di Reazione: La velocità con cui si svolge una reazione, ossia il numero di reazioni che avvengono nell unità di tempo. Si può esprimere come diminuzione della concentrazione di un reagente (o aumento della concentrazione di un prodotto) nell unità di tempo. La velocità di una reazione ad una data temperatura è proporzionale alla concentrazione dei suoi reagenti (legge dell azione di massa), ma anche alla concentrazione della specie allo stato di transizione. La velocità di reazione è anche proporzionale alla temperatura a cui si svolge (la temperatura fornisce energia termica ai reagenti), generalmente la velocità raddoppia ad un aumento di 10 C della Temperatura. 9
Catalizzatore: Sostanza che modifica la velocità di una reazione chimica, risultando inalterata al termine del processo: Catalisi positiva aumenta la velocità di reazione. Catalisi negativa diminuisce la velocità di reazione. Pur rimanendo inalterato al termine della reazione il catalizzatore prende parte alla reazione chimica combinandosi con i reagenti e formando un complesso intermedio attivato che poi si separa nei prodotti e rilascia il catalizzatore. 10
Enzimi Gli enzimi sono molecole di natura proteica che svolgono la funzione di catalizzatori biologici, facilitando le interazioni biochimiche ed accelerando la velocità delle reazioni di sintesi o di degradazione che avvengono all'interno della cellula (la velocità di tali reazioni può essere aumentata fino a 10 milioni di volte). Enzimi Ciascun enzima è specifico di una data reazione o di un gruppo di reazioni simili. Molti enzimi sono attivi solo se associati a un cofattore (uno ione metallico come Fe 2+ o Mn 2+ ) o a una struttura organica più complessa, detta coenzima (che spesso è una vitamina). 11
Enzimi L enzima ed i reagenti che in questo caso prendono il nome di Substrato entrano in contatto e si legano tra loro Gli enzimi ed il substrato formano dei complessi altamente instabili detti Stati di Transizione. Enzimi In definitiva gli enzimi accelerano le reazioni chimiche diminuendo l energia di attivazione. 12
Enzimi Le cellule riescono a operare con tanta facilità le trasformazioni grazie alla presenza degli enzimi che adeguano la velocità delle reazioni alle necessità della cellula stessa. Monomeri Monosaccaridi Aminoacidi Acidi Grassi Nucleotidi Polimeri Polisaccaridi Proteine Grassi, Lipidi Acidi Nucleici 13
Monomeri Polimeri 14