Corso di Biochimica II anno, II semestre

Docente

Dott. Martino Luigi DI SALVO

Dipartimento di Scienze Biochimiche “A. Rossi Fanelli” Via degli Apuli, 9 00185 – Roma

Tel: 0649917684 martino.disalvo@uniroma1.it

Obiettivi dell’attività didattica formale Costituenti inorganici Oligoelementi. Acqua. Sistemi tampone biologici. Proteine Aminoacidi: classificazione, proprietà, dissociazione, punto isoelettrico.

Legame peptidico. Peptidi naturali. Glutatione. Neurotrasmettitori. Livelli di organizzazione strutturale. Collageno, elastina. Denaturazione delle proteine. Emoproteine, emoglobine e mioglobina.

Acidi nucleici I nucleotidi, struttura dei nucleotidi. Glucidi Mono-, oligo- e polisaccaridi. Glucidi di riserva, glucidi strutturali. Glicoproteine.

Proteoglicani. Lipidi Classificazione. Ruolo biologico. Acidi grassi e grassi neutri. Fosfoglicerolipidi e

sfingolipidi. Steroidi. Colesterolo e derivati. Lipoproteine. Membrane biologiche. Vitamine Fonti naturali. Funzione. Antiossidanti. Forme attive. Enzimi Aspetti termodinamici della catalisi. Cinetica enzimatica. Meccanismi di catalisi e

regolazione dell'attività enzimatica. Inibitori. Classificazione degli enzimi. Coenzimi. Isoenzimi. Enzimi per la biologia molecolare.

Metabolismo Glicolisi, gluconeogenesi, ciclo del pentoso fosfato, metabolismo del glicogeno,

metabolismo degli acidi grassi, ciclo di Krebs, catena del trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa, metabolismo degli aminoacidi, metabolismo dei nucleotidi. Integrazione del metabolismo.

Trasmissione dell’informazione Sintesi e degradazione delle proteine, meccanismi di

trasduzione del segnale

Testi consigliati

Campbell-Farrell BIOCHIMICA, EdiSES, 2004

Mathews-van Holde-Ahern BIOCHIMICA, III edizione, Ambrosiana, 2004

Nelson-Cox  I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER III edizione, Zanichelli 2002

Nelson-Cox INTRODUZIONE ALLA BIOCHIMICA DI LEHNINGER III edizione, Zanichelli 2003

Garrett-Grisham BIOCHIMICA, Zanichelli, 1998

Garrett-Grisham PRINCIPI DI BIOCHIMICA, Piccin, 2004

Berg-Tymoczko-Stryer BIOCHIMICA, V edizione, Zanichelli, 2003

Voet-Voet-Pratt FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli, 2001

Voet-Voet BIOCHIMICA, Zanichelli, 1993

Proprietà distintive dei sistemi viventi

-  Sono complicati ed altamente organizzati

-  Gli organismi visibili ad occhio nudo sono composti da varie CELLULE

-  Queste a loro volta sono composte da strutture subcellulari, gli ORGANELLI

-  Gli organelli sono complesse costruzioni di grosse strutture polimeriche, le MACROMOLECOLE

-  Le MACROMOLECOLE, nonostante siano composte da semplici unità ripetute, mostrano un alto grado di organizzazione strutturale.

-  Questa intricata architettura tridimensionale, chiamata CONFORMAZIONE, è dovuta all’interazione tra i monomeri a seconda delle loro caratteristiche chimiche.

-  A partire dalle strutture più grandi nell’organismo (es. organi), fino ai più piccoli agenti del metabolismo (enzimi, intermedi metabolici), ad ogni componente può essere attribuito un ruolo biologico.

-  “Che funzione ha?”: è la domanda che un biologo, un biochimico deve porsi davanti ad una qualunque struttura, organizzazione, pattern che si osserva.

Tutte le strutture biologiche hanno dei ruoli FUNZIONALI

I sistemi viventi sono costantemente occupati in trasformazioni energetiche

•  Il mantenimento di tali strutture altamente organizzate e l’attività dei sistemi viventi dipende dalla loro abilità di estrarre energia dall’ambiente

•  La fonte energetica ultima è l’energia solare •  L’energia fluisce dagli organismi fotosintetici,

attraverso la catena alimentare, agli erbivori, e ai carnivori predatori, all’apice della piramide alimentare

La biosfera è perciò un sistema attraverso il quale fluisce l’energia

Ma come viene immagazzinata e scambiata l’energia?

•  Sia che l’energia venga ricavata dalla fotosintesi o che venga ricavata dal nutrimento, si vengono a formare molecole specializzate ad alta energia: ATP e NADPH

•  Quando queste molecole reagiscono con altre molecole all’interno della cellula, l’energia immagazzinata viene utilizzata per favorire processi fondamentali quali:

–  Biosintesi –  Movimento –  Lavoro osmotico contro gradienti –  Bioluminescenza

•  Tutta la vita di un organismo è dedicata alla lotta contro il raggiungimento dell’equilibrio… che viene raggiunto solo con la morte

La vita è caratterizzata dal flusso di energia

•  Ė a spese di questa energia che viene mantenuto quell’ordinato e intricato stato di attività, ben lontano dall’equilibrio con l’ambiente, ma caratterizzato da una sorta di mantenimento di uno stato costante: il cosiddetto “STATO STAZIONARIO”

•  Ė una condizione altamente dinamica: energia e materiale vengono consumati in continuazione per il mantenimento dell’ordine

•  Il contrario succede invece nella materia inanimata (il resto dell’universo), che corre verso una situazione di disordine crescente o, in termini termodinamici, di aumento dell’entropia.

•  Questa capacità è caratterizzata da meccanismi diversi che hanno in comune un’altissima fedeltà replicativa

•  Questa fedeltà non è però assoluta: –  Selezione naturale, evoluzione

•  Tali caratteristiche risiedono nella natura chimica del materiale genetico, catene polimeriche di acido desossiribonucleico, il DNA

Un’altra proprietà distintiva dei sistemi viventi: la capacità di autoreplicazione

Le biomolecole, le molecole della vita

Nell’atmosfera N2 è il gas predominante, mentre la CO2 è presente in quantità basse ma critiche. L’ossigeno (O2) è abbondante nelle acque degli oceani e nell’atmosfera.

Composizione di una cellula di E. coli

% del peso totale - Acqua 70 - Proteine 15 ~3000 - Acidi nucleici DNA 1 1 RNA 6 ~1000 - Carboidrati 3 ~50 - Lipidi 2 ~40 - Intermedi metabolici 2 ~500 - Ioni inorganici 1 12

numero di specie

Composizione chimica di un adulto di 65 Kg

Proteine 11 17.0 Grassi 9 13.8 Carboidrati 1 1.5 Acqua 40 61.6 Sali minerali 4 6.1

Kg %

Gli elementi della vita sulla terra e i legami che formano

•  Gli elementi H, O, C e N sono i migliori per la chimica della vita.

•  Possibiltà di formare legami covalenti mediante condivisione di elettroni

•  Sono tra gli elementi più piccoli della tavola periodica, per cui formano legami più forti

•  Altri due elementi in grado di formare legami covalenti, P (e i suoi derivati) e S, hanno ruoli importanti nelle chimica dei sistemi viventi

La tavola periodica di Mendeleev

Le biomolecole sono composti del carbonio

•  Tutte le biomolecole contengono carbonio •  Enorme versatilità nel formare legami covalenti attraverso

condivisione elettronica.

Il carbonio nel suo stato eccitato promuove un elettrone dall’orbitale 2s all’orbitale 2p vuoto ibridizzando gli elettroni di valenza.

L’orbitale 2s e quelli 2p sono tutti mezzi pieni, lo stato eccitato è relativamente stabile

hybridization number of hybrids

shape of hybrids

orbital interactions bonding

sp3 4 tetrahedral 4 sigma 4 single bonds/lone pairs

sp2 3 trigonal planar

3 sigma plus 1 pi

2 single bonds/lone pairs plus 1 double bond

sp 2 linear 2 sigma plus 2 pi

one single bond/lone pair plus one triple bond or two double bonds

Gruppi funzionali in chimica organica

= CH2

- CH2OH

C=O

- NH2

= NH

- CHO

= CHOH

- COOH

- CH3 acidi grassi trigliceridi fosfolipidi

aminoacidi proteine

zuccheri polisaccaridi

metile

metilene

gruppo alcoolico primario

gruppo alcoolico secondario

gruppo aldeidico

gruppo chetonico

gruppo carbossilico

gruppo aminico

gruppo iminico

Tipi di legame

si ottiene dall’eliminazione di una molecola d’acqua tra un gruppo alcoolico e un gruppo acido

si ottiene dall’eliminazione di una molecola d’acqua tra due gruppi alcoolici

R-CH2OH + R-COOH = R-CH2O-CO-R R-CH2OH + H3PO4 = R-CH2O-PO3H2

R-CH2OH + RCH2OH = R-CH2-O-CH2-R

• Legame estere:

• Legame etere:

si ottiene dall’eliminazione di una molecola d’acqua tra due gruppi acidi

R-COOH + R-COOH = R-CO-O-CO-R R-COOH + H3PO4 = R-COO-PO3H2

si ottiene dall’eliminazione di una molecola d’acqua tra un gruppo aminico e un gruppo carbossilico

R-COOH + R’-NH2 = R-CO-NH-R’

Tipi di legame

• Legame anidridico:

• Legame peptidico:

•  Queste possibilità sono moltiplicate dalla possibilità di includere ossigeno, azoto e idrogeno in tali composti

•  Queste strutture possono mostrare reattività chimiche specifiche, adatte alla costruzione e al funzionamento dei sistemi viventi

•  La capacità del carbonio di formare legami covalenti con se stesso, la forma tetraedrica (con legami sigma capaci di ruotare) o piana di tali legami sono proprietà fondamentali per la possibilità di formare una grossa varietà di composti lineari, ramificati e ciclici.

Analizziamo l’organizzazione molecolare: mettiamo ordine nella complessità

•  Le macromolecole vengono classificate in base alle loro somiglianze per quanto riguarda dimensione e proprietà chimiche

•  Si nota un pattern: non tutte le combinazioni possibili tra C, O, N e H sono utilizzate

•  Organizzazione strutturale: da molecole piccole e semplici a grandi e complesse

0,3 nm (H2O)

4 nm (ribonucleasi) 160 nm (miosina)

18 nm (ribosoma) 300 nm (virus tabacco)

1,5 µm (mitocondrio)

2 µm (E. coli) 20 µm (epatocita)

0,5 nm (alanina) 3 nm (fosfolipidi)

Metaboliti e macromolecole

Organelli (eucarioti)

Membrane, compartimenti cellulari

Cellule, tessuti, organismo

Polarità strutturale

–  Mancanza di simmetria

–  Polimerizzazione testa/coda

–  Le macromolecole hanno un senso, una direzione

Cosa rende le macromolecole così adatte al mantenimento della vita?

Informazione (ed energia)

–  Contenere informazione –  Trasferire informazione –  Trasformazione dell’informazione in strutture

funzionali organizzate

L’architettura delle biomolecole •  Le strutture primarie sono lineari •  Le strutture finali sono invece dotate di forme

tridimensionali •  La struttura tridimensionale è caratteristica per ogni tipo

di molecola, specialmente per quanto riguarda le proteine

Le forze che tengono insieme, e in forma, le macromolecole

•  I legami covalenti tengono insieme gli atomi di una molecola

•  Vi sono però anche forze di attrazione deboli inter- e intramolecolari che si esercitano tra gli atomi

•  Le foze deboli sono dell’ordine di 4-30 kJ/mol, non sufficienti per tenere insieme gli atomi

•  L’energia cinetica media di una molecola a 25 °C è di 2,5 kJ/mol) per cui le interazione deboli sono costantemente formate e rotte, a meno che non siano in numero sufficiente per impartire stabilità ad una struttura molecolare

Forze di attrazione di Van der Waals:

• Fra atomi nonpolari. Sono dovute alle interazioni elettrostatiche indotte tra le nuvole elettroniche di atomi vicini. Le fluttuazioni della nuvola elettronica permettono l’attrazione tra il nucleo di un atomo e gli elettroni di quello vicino 1. interazioni dipolo-dipolo. L’energia di interazione

diminuisce in ragione di 1/r3

-  interazioni dipolo-dipolo indotto. Diminuiscono in ragione di 1/r5

- interazioni dipolo indotto-dipolo indotto. Diminuiscono in ragione di 1/r6

Forze di Van der Waals •  Operano solo ad una distanza limitata •  A temperatura fisiologica danno forza di legame solo se

molti atomi sono impegnati e interagiscono •  Le molecole devono perciò essere ben impaccate

(complementarietà delle superfici. Es. nel legame tra il lisozima e il proprio substrato le attrazioni di Val der Waals valgono per 60 kJ/mol)

•  Le forze diventano repulsive quando gli atomi si avvicinano troppo.

•  La distanza di contatto di Van der Waals definisce la distanza interatomica quando soltanto le forze di Van der Waals tengono insieme i due atomi. È la somma dei raggi di Van der Waals.

Esempio di complementarietà strutturale: interazione lisozima-anticorpo.

Rappresentazine degli atomi secondo i raggi di van der Waals

Legami a idrogeno •  Si formano fra un atomo di

idrogeno legato ad un atomo elettronegativo ed un altro atomo elettronegativo che funge da accettore del legame idrogeno

•  Sono più forti delle forze di Van der Waals

•  Sono fortemente direzionali. Linea retta tra l’accettore, l’idrogeno e il donatore

•  Sono più specifici delle forze di Van der Waals

Legami idrogeno nelle macromolecole

Interazioni ioniche •  Forze attrattive tra gruppi funzionali polari carichi

negativamente (es. gruppi carbossilici e gruppi aminici) •  Hanno una forza media in solventi acquosi di 20 kJ/mol •  Possono coinvolgere ioni, dipoli permanenti o dipoli indotti •  Sono poco direzionali e non hanno bisogno di precisa complementarietà di superficie

•  Sono ristrette a definite posizioni spaziali, forniscono specificità strutturale

•  Sono dovute alla tendenza dell’acqua ad escludere i gruppi e le molecole nonpolari

•  Le molecole d’acqua preferiscono interagire fra di loro piuttosto che con molecole nonpolari (legami più numerosi e più forti)

•  Le forze di Van der Waals sono anch’esse implicate nel promuovere il debole legame tra gruppi nonpolari

•  La forze principale è l’aumento dell’entropia dell’acqua, in quanto meno molecole d’acqua sono impegnate a formare una gabbia attorno alle molecole nonpolari

•  Le regioni idrofobiche delle macromolecole hanno la tendenza ad aggregarsi al centro della molecola

Interazioni idrofobiche

Le forze deboli sono fondamentali nel riconoscimento tra biomolecole

•  Le interazioni specifiche sono fondamentali nella complicata organizzazione della vita molecolare: es. metabolismo, crescita e differenziamento, replicazione etc…

•  Complementarietà strutturale. Concetto essenziale per la comprensione delle proprietà funzionali dei sistemi viventi

•  Modello del “lock and key”, oppure il “puzzle”

Rappresentazine degli atomi secondo i raggi di van der Waals

•  Il ruolo centrale delle forze di interazione debole limitano l’intervallo di condizione ambientali adatte alla vita

•  Temperatura, acidità, foza ionica •  Condizioni estreme distruggono le forze che

mantengono le strutture molecolari (e quindi ne mantengono la funzionalità)

denaturazione

•  Per lo stesso motivo la fisiologia cellulare non può permettersi delle reazioni in cui viene rilasciata una gran quantità di energia

•  Tanto meno può tollerare burst di energia per spingere in avanti le reazioni endoergoniche

I.  Creazione delle molecole base della vita (tramite processi non biologici)

II.  Passaggio dalla chimica primordiale a sistemi replicativi (nascita delle cellule viventi)

III.  Sviluppo di sistemi per l’utilizzazione la conservazione e la conversione dell’energia (nascita dei metabolismi e degli organismi unicellulari, 3,5 miliardi di anni fa)

IV.  Evoluzione di sistemi in grado di adattare la loro biochimica ai diversi ambienti (nascita delle colonie e degli organismi pluricellulari, 600 mln di anni fa)

La nascita della vita

Lo studio dell’evoluzione molecolare aiuta la comprensione della biochimica

a. 1950

- Basi azotate dall’acido cianidrico

- Zuccheri dalla formaldeide (ma le catene di acido nucleico promordiali non contenevano necessariamente zuccheri)

H C

H O

- Acidi carbossilici (formico, acetico, lattico, succinico, grassi)

•  Capacità di riprodurre e trasferire informazione

•  Capacità di mutare •  Capacità di competere per le risorse

–  RNA come molecola chiave nell’evoluzione

Spiegelman, 1967

L’evoluzione a livello molecolare dimostrata in provetta

RNA del batteriofago Qβ con replicasi -  Pressione selettiva:

-  tempo -  concentrazione dei presursori -  presenza di inibitori

L’RNA catalitico

a. 1980

-  Con la comparsa dei ribozimi, si genera la necessità di nucleotidi per sintetizzare l’RNA: metodi alternativi per la sintesi dei precursori nucleotidici

-  Stretta connessione tra il mondo a RNA e di quello “aminoacidico”

-  Utilizzo di aminoacidi (più versatili) anche per una catalisi più efficace

-  Nascita di polipeptidi. I polipeptidi non hanno capacità di autoreplicazione. Potrebbero essere stati indirettamente inseriti nei processi evolutivi.

-  Nascita del codice genetico

Un altro esempio di legame tra il mondo a RNA e quello “aminoacidico”: la biosintesi dell’istidina

•  Utilizzo di processi riduttivi semplici per la produzione di molecole ad alto valore energetico

•  Accoppiamento delle reazioni

•  Nascita delle biosintesi

•  Nascita delle vescicole cellulari, al cui interno sono state inserite proteine e acidi nucleici

•  Nascita delle pompe di membrana e della ATP-sintasi (fotosintesi, incremento della concentrazione di ossigeno, nascita dei metabolismi ossidativi)