AA. 2013 / 2014 (Prof. Adolfo Amici)

Modulo Didattico: Biochimica Corso integrato di: Scienze Biomediche (Anno I - Semestre I)

Programma. :Parte prima: le biomolecoleI carboidrati (classificazione, proprietà chimico-fisiche di monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi; caratteristiche del legame glicosidico ).Gli aminoacidi e le proteine (caratteristiche strutturali degli aminoacidi, il punto isoelettrico, gli aminoacidi essenziali, funzioni e struttura tridimensionale delle proteine).I lipidi e le membrane biologiche (lipidi di riserva, lipidi strutturali e architettura delle membrane biologiche).Vitamine idrosolubili e vitamine liposolubili.La cinetica enzimatica.Parte seconda: il metabolismoLa glicolisi e il ciclo dell’acido citrico.La fosforilazione ossidativa.La degradazione degli aminoacidi e il ciclo dell’urea.La beta-ossidazione degli acidi grassi.

testo consigliato: D.L.Nelson, M.M. Cox Introduzione alla biochimica , (Zanichelli)

Gli elementi chimici presenti al giorno d’oggi

Che cosa distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato?

Complessità chimica ed organizzativa

Estrazione dell’energia dall’ambiente

Capacità di autoreplicarsi

Le macromolecole sono costituite

da pochi composti semplici

Fonte di energia

Accoppiamento energetico

ATP

Vie metaboliche:

cataboliche

e

anaboliche

Evoluzione della vita sulla terraClassificazione degli organismiin base alla fonte energetica

CELLULE

PROCARIOTI EUCARIOTI

Le biomolecole:I legami chimici coinvolti

I gruppi funzionaliLa struttura tridimensionale

La stereochimicaLa reattività in funzione della struttura

Atomi - struttura

particella simbolo carica (coulomb, relativa) Massa• Protone p+ 1,6022 10-19 +1 1,67252 10-27 kg• Neutrone n0 0 0 1,67495 10-27 kg • Elettrone e- 1,6022 10-19 -1 9,10953 10-31 kg

• Atomo H 0,0000 0 1,6752 10-27 kg• “ U 0,0000 0 3,94987 10-25 kg

raggio di un atomo circa 10-10m

raggio di una particella circa 10-14m

Esperimento di Rutherford

13.214

L’atomo quantistico : Forme degli orbitali in funzione dei numeri quantici degli elettroni,n, principale, 0, 1, 2, 3, …l, secondario, 0 ÷ n-1m, magnetico, -l ÷ 0 ÷ +lspin, ±½

l = 0

l = 1

l = 2

m = -1,0,1

m = -2,-1,0,1,2

m = 0

n = 1 n = 2 n = 3

Spettro della radiazione elettromagnetica

Rifrazione della luce bianca

Principali righe di emissione dell’idrogeno

Livelli energetici e righe di emissione dell’atomo di idrogeno

Il legame covalente e la formazione di molecole

Ibridazione sp3 e la configurazione tetraedrica delle molecole

109°

105° 107°

ossigeno

carbonio

azotoacqua ammoniaca

metano

Ibridazione sp2 e la configurazione planare

BF3

120°

Legame chimico ionico

++

+

++

+

++

+

+

+

+

+

+

---

--

-

-

-

--

--

--

-

Il legame metallico

Orbitali molecolari che coinvolgono tutto il volume del cristallo metallico

Forze interattive tra le molecoleForze di van der Waals

Dipoli istantaneiNon direzionali

2-20kJ mole-1

Cl

Polarizzazione dei legami covalentiL’elettronegatività

Forze interattive tra le molecole

L’acqua e il legame idrogeno

Temperature di fusione di composti e tavola periodica

Teoria cinetica della temperatura

1Ec = mV2 2

Moto Browniano

T2

T1

Velocità

Num

ero

di m

olec

ole

La pressione è la conseguenza degli urti delle molecole sulle pareti del recipiente, maggiore è il numero o maggiore è la forza degli urti e maggiore è la pressione

Ad ogni temperatura l’energia cinetica media delle molecole è la stessa per ogni tipo di gas e per qualsiasi pressione

Legge generale dei gas: legge di Avogadro

Combinando gli esperimenti precedenti si ottiene la formula generica:

P V = kn T

Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un uguale numero di molecole

P V = n R T

H2 + Cl2 = 2 HCl

Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un uguale numero di moli

Tensione di vapore delle soluzioni

Psol = Pa · Xa + Pb · Xb

Se il soluto non è volatile

P sol =Pa · Xa P = Pa - Psol

PXb = ----

Pa

Potere schermante dell’acqua verso le cariche,

solubilizzazione dei sali, solvatazione degli ioni.

OsmosiPressione Osmotica

P

Membranasemipermeabile

H2OSoluzione disaccarosio

= c R T

V = n R T

Soluzione salina fisiologicaNaCl 0,15 M

= c R T

= 2 · 0,15 · 0.0821 · (273 + 37) = 7,64

La pressione osmotica dipende dal numero di particelle in soluzionequindi bisogna tenere conto della dissociazione dei composti

L’acqua e la solubilità delle sostanze

SolidiSolidiStrutture cristalline e amorfe

Esagonale Cubica Cubica a corpo centrato

Esempi di strutture cristalline comuni

NaCl

SS

S

SS

SS

S.. .... .... .. ..

..

....

....

....

..

..

Molecola di zolfo

Grafite

Diamante

Silicio Ossigeno

Quarzo (biossido di silicio, SiO2)

Cloruro di Sodio, NaCl

Percentuale in peso, %

es. l’acido cloridrico concentrato HCl al 36%

la soluzione contiene 36g di HCl per ogni 100g di soluzione.

Percentuale in volume, %v/v

es. l’alcol etilico al 95%la soluzione contiene 950ml di1alcol per ogni litro di soluzione.

Molarità, M(numero di moli di soluto

per litro di soluzione)

es. 2 M cloruro di sodio, NaCl1 mole = 58,5g

2 · 58,5 g =117 g in un volume finale di un litro d’acqua

Molalità, m(numero di moli di soluto

per 1000 g di solvente)

es. 2 m cloruro di sodio, NaCl1 mole = 58,5g

2 · 58,5 g =117 g da aggiungerea 1000 g d’acqua

CONCENTRAZIONE

Solubilità

La solubilità di un certo soluto in un certo solvente dipende dalla natura sia del soluto sia del solvente e di solito, ma non sempre, aumenta all'aumentare della temperatura.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

102030405060708090

100

Temperatura (°C)Sol

ubil

ità

(g s

olut

o/10

0 g

solv

ente

)

CaCl2 NaI KNO3

KCl

NaCl

Ce2(SO4)3

Teoria delle collisioni

OH

H OC

O

OH OC

O H

H2O + CO2 H2CO3

1Ec = mV2 2

T1

Velocità

Num

ero

di m

olec

ole

v = k[A][B]

A + B C

k = costante di velocità

Equilibrio chimico

vd = kd [A]a [B]b

aA + bB cC + dD

vi = ki [C]c [D]d

All’equilibrio si ha: vd = vi

kd [A]a [B]b = ki [C]c [D]d

eqba

dc

i

d K[B][A]

[D][C]

k

k

ba

dc

[B][A]

[D][C]Q

Legge di azione di massa

Principio di Le Chatelier:Quando l’equilibrio di un sistema viene variato, il sistema reagisce

in modo da annullare la variazione e ristabilire l’equilibrio

aA + bB cC + dD

ba

dc

eq [B][A]

[D][C]K

Legami chimici più comuniOrientamento degli orbitali atomici

Ibridazione sp3

Ibridazione sp2

Gruppi chimici comuni nelle molecole organiche

Struttura tridimensionaledelle molecole

Stereochimica dellemolecole organiche

I carboidrati• Formula empirica generale : n(CH2O)

• Monosaccaridi (es. glucosio)

• Oligosaccaridi disaccaridi (es. saccarosio)

• Polisaccaridi (es. cellulosa, glicogeno amido)

Zuccheri

Monosaccaridi

Vi sono due famiglie di monosaccaridi

aldotriosio chetotriosio

I monosaccaridi hanno centri asimmetrici

D-Gliceraldeide

Isomeri ottici

L-Gliceraldeide

Proprietà ottiche degli stereoisomeri

Attività ottica: proprietà di ruotare il piano

della luce polarizzata

lc

t

Sorgentedi luce

Filtropolarizzatore

La luce nonpolarizzata oscilla

in tutti i piani La luce polarizzata oscilla in un solo piano

Tubo porta campionecontente la sostanza

otticamente attiva

Angolo di rotazione

Luce polarizzata

ruotata

Analizzatore

Potere ottico rotatorio specifico: ioneconcentrazc

lunghezzal

Famiglia dei D-aldosi

Famiglia dei D-aldosi

Famiglia dei D-cheosi

I monosaccaridi assumono forme cicliche

• Il glucosio cristallizzato in acqua, -D-glucosio, ha proprietà ottiche diverse da quelle della forma che si ottiene cristallizzandolo nel solvente piridina, -D-glucosio.

• Da un punto di vista della composizione chimica sono invece identici.

• Esso ha assunto due diverse forme cicliche dette piranosi

Il gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni può reagire con un alcol

Se la funzione alcolica è nella stessa molecola si ha la reazione di ciclizazione

Prospettiva di Haworth

Formule conformazionali

e = equatorialea = assiale

I monosaccaridi sono riducenti

Reazione di Fehling

DisaccaridiLegame O-glicosidico

Estremità riducenteEstremità non riducente

amilosio

Amilopectina e Glicogeno

Polisaccaridi

• Altri polisaccaridi importanti sono:

• La cellulosa, nelle pareti cellulari delle piante

• Glicosamminoglicani, nella matrice extracellulare insieme a proteine fibrose come collagene, elastina, fibronettina e laminina

• Proteoglicani

• Glicoproteine

Peptidoglicano