CHIMICA BIOLOGICA, LABORATORIO (gr.3) (prof.ssa P. Contursi) E METODOLOGIE BIOCHIMICHE (gr.3) (prof.ssa D. Limauro) Corso di Studi in Biologia Generale ed Applicata Curriculum Molecolare CHIMICA BIOLOGICA, LABORATORIO (gr.3) (prof.ssa P. Contursi) Corso di Studi in Biologia Generale ed Applicata Curriculum della Nutrizione A.A. 2011-2012
Curriculum NUTRIZIONE Modulo di CHIMICA BIOLOGICA E LABORATORIO (10 cfu) Curriculum MOLECOLARE Modulo di CHIMICA BIOLOGICA E LABORATORIO (10 cfu) + Modulo di METODOLOGIE BIOCHIMICHE (4cfu) Modalità esame : orale Esami propedeutici: Chimica organica e laboratorio
Laboratorio di Chimica Biologica CORSO DI LAUREA IN BIOLOGIA GENERALE E APPLICATA Anno Accademico 2011/2012 Cromatografia a scambio ionico e determinazione spettrofotometrica e colorimetrica della concentrazione di una miscela proteica Ion exchange
Di che cosa si occupa la Chimica Biologica? Principali classi di biomolecole Proteine Acidi nucleici Carboidrati amminoacidi Polimeri di piccole unità semplici nucleotidi Monomeri (zuccheri semplici) Polimeri (polisaccaridi) Lipidi Triacilgliceroli
Il livello molecolare è l oggetto di studio della Biochimica 10-30 µm 5-10 µm 2 nm (20 Å)
Origine della vita Era del bombardamento pesante Microrganismi fossili individuati in stromatoliti
Caratteristiche degli organismi viventi Alto grado di complessità chimica e di organizzazione a livello microscopico Sistemi capaci di estrarre trasformare ed utilizzare l energia Interazione tra le molecole ed interazione con l ambiente Capacità di riprodursi Capacità di evolversi
2006
Cellula procariota ed eucariota
Principali classi di biomolecole - Gruppi funzionali nelle biomolecole Struttura tridimensionale: configurazione e conformazione
La maggior parte delle biomolecole sono composti del carbonio con differenti gruppi funzionali H - Molecole idrofobiche - Poco reattive Gruppi funzionali Composti con proprietà chimiche specifiche Benzene (fenile) Nota: da un punto di vista chimico un gruppo funzionale si comporta allo stesso modo in tutte le molecole in cui è presente
L atomo di carbonio può formare legami singoli con idrogeno, L atomo di carbonio può formare legami singoli o doppi con l ossigeno, L atomo di carbonio può formare legami singoli o doppi con l azoto, L atomo di carbonio può formare legami singoli doppi e tripli con un altro atomo di carbonio
Gruppi funzionali presenti nelle biomolecole
Gruppi funzionali POLARI non carichi: Ossidrile Carbonile Sulfidrile Gruppi funzionali con CARICA POSITIVA: Amminico Imidazolico guanidino Gruppi funzionali con CARICA NEGATIVA: Carbossile Fosfato
Alcoli: polari H Benzene (fenile) Zuccheri
aldeidi: polari chetoni: polari Zuccheri gliceraldeide diidrossiacetone
tiolo Cisteina disolfuro Glu Glu Glu Glu Cys SH HS Cys Cys S S Cys Gly Gly Gly Gly Glutatione ridotto Glutatione ossidato
+ H + + H H glicina CH 3 alanina amminoacidi Lisina Gruppo ε-amminico
+ -H Istidina Arginina
H + H + H Acidi grassi
H ATP nucleotide
Le molecole sono tridimensionali: Hanno una FORMA La funzione di una biomolecola dipende da: Forma Gruppi funzionali
Gli ISOMERI sono un altra fonte di diversità nelle molecole organiche Isomeri = composti con stessa formula molecolare ma strutture diverse Diversa struttura proprietà diverse - Isomeri strutturali - Isomeri configurazionali: isomeri geometrici stereoisomeri (enantiomeri)
Isomeri strutturali: differiscono per la disposizione degli atomi nella catena carboniosa n-butano iso-butano
ISOMERI CONFIGURAZIONALI Isomeri geometrici: differiscono per la disposizione degli atomi rispetto a un doppio legame C=C (configurazione) La differenza di forma influenza l attività biologica
ISOMERI CONFIGURAZIONALI Enantiomeri: sono generati dalla presenza di 4 sostituenti diversi legati allo stesso atomo di carbonio (carbonio chirale) Gli enantiomeri sono l uno immagine speculare dell altro Nota: configurazione = disposizione degli atomi nello spazio imposta da un doppio legame o da un centro chirale conformazione = disposizione spaziale di gruppi funzionali dovuta alla rotazione intorno a legami singoli
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli
CONFORMAZIONE: disposizione spaziale dei gruppi funzionali grazie alla libertà di rotazione intorno ai legami C-C
In genere uno solo degli enantiomeri è biologicamente attivo Es. 1: Gli amminoacidi esistono come enantiomeri L e D solo L-amminoacidi sono presenti nelle proteine! R L-amminoacido R D-amminoacido
Stereospecificità dell interazione tra molecole: isomeri diversi vengono riconosciuti in maniera differente da recettori sensoriali
I gruppi funzionali conferiscono proprietà chimiche specifiche Le proprietà chimico-fisiche di ciascun gruppo funzionale vengono mantenute in tutte le molecole che lo contengono Oltre al tipo, il NUMERO e la DISPOSIZIONE dei gruppi funzionali conferiscono propietà uniche a ciascuna molecola
Principali classi di biomolecole Proteine Acidi nucleici Carboidrati amminoacidi Polimeri di piccole unità semplici nucleotidi Monomeri (zuccheri semplici) Polimeri (polisaccaridi) Lipidi Triacilgliceroli
AMMINOACIDI: Unità costitutive delle proteine ma non solo Gruppo carbossilico Gruppo amminico Catena laterale o gruppo R Carbonio alfa Amminoacidi proteici (20) = alfa-amminoacidi
i gruppi legati al carbonio α possono disporsi nello spazio in due modi diversi: Le due strutture risultanti sono l una immagine speculare dell altra enantiomeri R R R R R R Formule in prospettiva Formule di proiezione
enantiomeri degli amminoacidi: correlati agli enantiomeri della gliceraldeide D e L L-amminoacido D-amminoacido (Formula di struttura in prospettiva)
Gruppo carbossilico Gruppo amminico Catena laterale o gruppo R Legame peptidico
nucleotide ADP AMP
nucleotidi
DNA RNA
zuccheri glicogeno Legame glicosidico
In soluzione acquosa gli aldotetrosi e tutti gli altri monosaccaridi con cinque o più atomi di carbonio assumono una forma ciclica
Ciclizzazione del glucosio Carbonio anomerico determina la formazione di due steroisomeri (anomeri)
monomeri Ogni monomero incorporato in una catena macromolecolare è detto residuo Tutti i residui sono allineati nella stessa direzione: le estremità delle macromolecole sono chimicamente distinte (le molecole hanno un senso )
Acido grasso triacilglicerolo
La forza di legame tra due atomi dipende dalle proprietà degli atomi impegnati nel legame e viene espressa in Joule o in Kcal/mole 1cal=4,184J
Trasformazioni chimiche all interno di una cellula La CO 2 è la forma più ossidata del carbonio
2) Reazioni di scissione o formazione di legami C-C: si forma un anione ed un catione 3)Riarrangiamenti interni: isomerizzazione 4) Trasferimenti di gruppi gruppi tiolici, ortofofsato, sono alcuni tra i gruppi che frequentemente vengono trasferiti
Condensazione tra due amminoacidi 5)Reazioni di condensazione e di idrolisi Formazione del legame peptidico Idrolisi
PROGRAMMA DI CHIMICA BIOLOGICA Principali classi di biomolecole - Gruppi funzionali nelle biomolecole Struttura tridimensionale: configurazione e conformazione Struttura dell acqua e sua importanza nei sistemi biologici - Principali Interazioni tra molecole (legame idrogeno, interazioni ioniche, interazioni di van der Waals, interazioni idrofobiche) PROTEINE Struttura: Le unità monomeriche: caratteristiche strutturali e proprietà chimiche degli amminoacidi (curve di titolazione, equazione di Henderson-Hasselbalch, punto isoelettrico; caratteristiche delle catene laterali) Formazione della catena polipeptidica e livelli superiori di organizzazione strutturale: alfa-elica, strutture beta, inversioni di catena, strutture supersecondarie, struttura terziaria, domini, struttura quaternaria Relazioni struttura e funzione: denaturazione/rinaturazione; effetti della temperatura, del ph, di denaturanti chimici (urea, guanidina, sodio dodecil-solfato, agenti riducenti). Funzione: Proteine fibrose: alfa-cheratine - collageno. Proteine globulari: Mioglobina e Emoglobina
Enzimi concetti di base: cinetica delle reazioni non catalizzate; variazione dell energia libera delta-g relazione tra delta-g e costante di equilibrio di una reazione. Classificazione degli enzimi, specificità di reazione, il sito attivo, interazione con il substrato Meccanismi di catalisi enzimatica - Cinetica enzimatica: il modello di Michaelis-Menten; trasformazioni dell equazione di Michaelis-Menten: il grafico dei doppi reciproci Inibizione enzimatica reversibile e competitiva, Effetti di ph e temperatura sulla velocità delle reazioni enzimatiche. Regolazione: Enzimi allosterici attivazione di zimogeni. Generalità sui coenzimi
ACIDI NUCLEICI Struttura: Le unità monomeriche: basi, nucleosidi, nucleotidi - struttura primaria e secondaria; la struttura a doppia elica. Processi di denaturazione: ipercromismo temperatura di fusione; denaturazione reversibile; ibridazione. Idrolisi enzimatica (esonucleasi, endonucleasi, enzimi di restrizione).. Organizzazione della cromatina (generalità). Funzione: Aspetti generali della biosintesi di DNA, RNA e proteine. Le reazioni della DNA polimerasi; la DNA ligasi; le RNA polimerasi-dna dipendenti nei procarioti e negli eucarioti; ruolo delle DNA topoisomerasi; cenni sulla maturazione degli RNA; struttura e funzione degli RNA di trasferimento; il codice genetico; la reazione di attivazione degli amminoacidi; le fasi della sintesi proteica: inizio, allungamento, terminazione, con particolare riferimento al processo nei procarioti.
METABOLISMO METABOLISMO Introduzione al metabolismo: Concetti generali di energetica: le funzioni di stato (entalpia, entropia, energia libera); composti ad alto contenuto energetico e loro ruolo nel metabolismo - reazioni accoppiate vie metaboliche e loro regolazione CARBOIDRATI: monosaccaridi; polisaccaridi di riserva (glicogeno e amido). Glicolisi: reazioni, meccanismi (GAP deidrogenasi, fosfoglicerato mutasi), regolazione Vie fermentative del piruvato (fermentazione lattica e fermentazione alcolica) Decarbossilazione ossidativa del piruvato e meccanismo di reazione La via del fosfogluconato e suo significato; meccanismi d azione di transchetolasi e transaldolasi Gluconeogenesi: reazioni e regolazione Metabolismo dei polisaccaridi: degradazione e sintesi del glicogeno: reazioni, regolazione. La combustione completa degli atomi di carbonio provenienti dai diversi distretti metabolici e la produzione di energia in condizioni di aerobiosi: Ciclo degli acidi tricarbossilici: reazioni e regolazione Le reazioni anaplerotiche: piruvato carbossilasi ed enzima malico. La catena di trasporto degli elettroni; fosforilazione ossidativa
Lipidi: Aspetti generali della struttura e funzione dei lipidi; Acidi grassi saturi e insaturi; Triacilgliceroli lipasi degradazione e sintesi degli acidi grassi saturi: reazioni, regolazione. Proteine: generalità sul destino dello scheletro carbonioso degli amminoacidi. Destino del gruppo amminico degli amminoacidi: transamminazioni: significato e meccanismo deamminazione ossidativa ciclo dell urea. Testi consigliati - Nelson DL e Cox MM I Principi di Biochimica di Lehninger V edizione- Zanichelli (ed.) - Nelson DL e Cox MM Introduzione alla Biochimica di Lehninger Zanichelli (ed.) - Campbell e Farrell Biochimica EdiSES (ed.) - Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L Biochimica- Zanichelli (ed.)