Modulo 1

Introduzione alle biomolecole Ottobre 2017

La logica molecolare della vita

2

“I sistemi viventi sono composti da molecole (biomolecole) inanimate” (Albert Lehninger)

Le biomolecole seguono le leggi della chimica e della fisica che regolano il comportamento della materia inanimata.

Gli organismi viventi possiedono alcune proprietà straordinarie che non sono presenti nelle singole biomolecole.

Che cosa distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato?

1. Gli organismi viventi sono strutture

complesse ed altamente ordinate

3

•Anche il più semplice organismo è

complesso e altamente organizzato

4

2. Le biomolecole hanno strutture definite

con un preciso significato funzionale

emoglobina: trasporto di O2

Eme: • Trasferisce ossigeno (globine)

• Trasferisce elettroni (proteine

respiratorie)

• Permette reazioni di

ossidoriduzione(enzimi redox)

Fe

3. I sistemi viventi sono in grado di estrarre

energia dall’ambiente e di conservarla

5

La piramide della catena alimentare

La biosfera è un

sistema nel quale

scorre l’energia

Biomolecole

energetiche

6

La fedeltà della autoreplicazione, a livello molecolare, risiede nella natura chimica

del materiale genetico: il DNA.

Proprietà fondamentale: complementarietà strutturale.

4. I sistemi viventi hanno capacità di

autoreplicarsi

Le copie quasi identiche

permettono l’evoluzione

Gli elementi che compongono la

materia vivente sono pochi

ELEMENTO %

Idrogeno 63

Ossigeno 25

Carbonio 9.5

Azoto 1.4

Fosforo 0.22

Zolfo 0.05

7

Proprietà chimiche

Dimensione atomica

1H 6C 7N 8O

H

C N O

La vita preferisce atomi leggeri

(1) Piu abbonanti sulla terra

(2) Legami più forti

H, O, C e N costituiscono il 99% degli atomi degli organismi viventi

sp3

Componenti

dell’atmosfera H2 CH4 NH3 H2O

Elettroni del

guscio esterno H C N O 1s 2s 2p

8

•Il carbonio condivide una coppia di

elettroni con un altro carbonio e

forma legami singoli C-C molto

stabili (343 kJ•mol-1)

•Idrogeno e ossigeno possono

formare solo 1 o 2 legami

rispettivamente.

•Legami N-N sono relativamente

instabili (171 kJ•mol-1)

•Il fosforo forma legami ancora

meno stabili che l’azoto

Energie di legame di legami covalenti

importanti

9

Le strutture con scheletro di carbonio permettono di

ottenere una enorme varietà di composti

…e tutte le combinazioni tra di essi

Acido Palmitico

colesterolo

grigio: carbonio

Bianco : idrogeno

rosso: ossigeno

blu: azoto

arancio: ferro

eme

Lineari

Ciclici planari

(aromatici) o

leganti metalli

Molte molecole biologiche possono essere considerate derivate dagli idrocarburi

sp3

10

I gruppi

funzionali delle

biomolecole

Lo scheletro degli

idrocarburi è molto

stabile mentre gli

atomi di H possono

essere sostituiti da

una varietà di

gruppi funzionali

con proprietà

autonome presenti

in molecole diverse

Nucleotide Amminoacidi

I principali gruppi funzionali chimici nelle

biomolecole

Eme

–COOH –COO –

–NH2 –NH3 +

gruppo

fosfato gruppi

idrossilici

gruppo carbonilico

anello aromatico

(eteroaromatico)

gruppi amminici

(1°, 2°)

(basici) gruppo

carbossilico

(acido)

gruppo

sulfidrilico

gruppo ammidico

centro di

coordinazione

metallico

Dimensione delle biomolecole

12

Massa:

1 Dalton = unità di massa atomica (u) = 1/12 della massa

dell’atomo di 12C

1u= ≈1,66054 × 10−27 Kg

1 kD = 1000 D (kD per le macromolecole)

La massa molecolare può essere calcolata come la somma delle

masse atomiche di tutti gli elementi costituenti la molecola.

Grandezza:

nanometri: 1 nm: 10-9 metri oppure 10 Å

Metaboliti

Es. piruvato; 50-250 Daltons

Unità costitutive

Es. amminoacidi;

100-350 Daltons

Macromolecole

Es. proteine;

10 -10 3 kDaltons

Complessi

sopramolecolari

Es. ribosomi;

10 3-10 6 kDaltons

Organelli

Es. mitocondri La cellula

La gerarchia molecolare: dal più semplice al più

complesso

L’organismo

Precursori inorganici

es CO2; < 70 Daltons

Organizzazione e struttura delle cellule

Cellule procariotiche

Una singola membrana

(plasmatica)

Assenza di nucleo e organelli

14

Organizzazione e struttura delle cellule (II)

15

Cellule eucariotiche

Volumi di 103-104 volte

maggiori

Presenza di nucleo e

organelli

Presenza di ER, Golgi,

mitocondri , etc.

Le macromolecole e le loro unità costitutive

hanno una direzionalità

16

Amminoacidi

Monosaccaridi

Nucleotidi

Presentano polarità strutturale

Le macromolecole biologiche contengono

informazioni

17

L’ordine sequenziale delle unità monomeriche che formano le

macromolecole, quando”letto” lungo la molecola, ha la capacità di contenere

informazioni.

Per comprendere il significato delle informazioni è necessario un

meccanismo di riconoscimento.

Le biomolecole hanno una caratteristica

Architettura tridimensionale Il Citocromo c, una proteina che trasferisce elettroni

Legami covalenti : determinano la sequenza lineare

Interazioni non covalenti: determinano il ripiegamento spaziale

19

Forze chimiche deboli (interazioni non covalenti) e loro energie di legame (energia di dissociazione del legame)

Interazioni ioniche: 20 kJ/mole (in acqua)

Legami idrogeno: 12-30 kJ/mole

Interazioni di van der Waals: 0.4-4.0 kJ/mole

Interazioni idrofobiche: <40 kJ/mole

Le forze chimiche deboli sono responsabili

delle strutture delle biomolecole

Energia di dissociazione del legame (forza): energia necessaria per

rompere il legame. Entità permette la formazione e rottura continua

dei legami

La forza di legame è da intendersi nel solvente acqua

Le interazioni ioniche (elettrostatiche)

20

D(ε)= costante dielettrica del mezzo

legami relativamente deboli e reversibili

- molto dipendenti dall’ambiente (più deboli

in acqua che in un ambiente organico)

in acqua D = 80 F/m 4-7 kJ/mole

in cicloesano D = 4 F/m > 200 kJ/mole

21

Il legame idrogeno

Donatore: un atomo elettronegativo

con un protone legato

Accettore: un atomo elettronegativo con coppia di elettroni liberi

RO- H d- d+

:NR2

d-

~ 0.3 nm

- condivisione di un protone fra due gruppi chimici

(proton donatore e proton accettore)

- legami deboli 12-30 kJ/mole

- altamente dipendenti dalla distanza e

direzione

22

Il legame idrogeno e la struttura

dell’acqua

Forze di van der Waals

23

Sono forze di energia inferiore rispetto alle precedenti, si dividono in:

due molecole dotate di dipolo interagiscono

Interazione dipolo-dipolo

Interazione dipolo-dipolo indotto

Dipolo istantaneo-dipolo indotto

forze di dispersione (di

London)

Le interazioni di van der Waals danno luogo

al concetto di ingombro sterico

24

Gli atomi si attraggono

attraverso forze non covalenti

ma non possono compenetrarsi

Raggi di Van der Waals:

determinano la distanza minima

alla quale possono avvicinarsi

due atomi (oltre questa distanza

energia repulsiva aumenta

rapidamente).

I raggi di van der Waals

determinano le superfici

molecolari

Regione repulsiva

Regione attrattiva

Rappresentazione di una proteina tramite sfere di

raggio di van der Waals

25

Gli atomi che costituiscono la proteina sono riportati come sfere di raggio pari al raggio di van der Waals. In numero considerevole di interazioni di van der Waals rende importante il contributo di questo tipo di legame alla struttura della proteina.

Le interazioni idrofobiche (effetto idrofobico)

Le interazioni idrofobiche dipendono dal raggiungimento di una maggiore stabilità del

sistema, ottenuto minimizzando la superficie delle molecole idrofobiche esposte all’acqua.

Le molecole non polari tendono ad associarsi tra loro liberando molecole d’acqua. Le

membrane biologiche si formano per effetto idrofobico. 26

entropia ridotta

entropia aumentata

entropia elevata

-dovute alla polarità e alla coesione dell'acqua

-molecole apolari (incapaci di formare legami-H) si aggregano

per: minimizzare la superficie esposta all’acqua

Le proprietà delle biomolecole riflettono il

loro adattamento alla condizione vivente

27

Le macromolecole e loro unità costitutive hanno un

“senso” o direzionalità

Le macromolecole hanno un contenuto informazionale

Le biomolecole hanno una architettura caratteristica e

tridimensionale

Forze “deboli” mantengono le strutture biologiche e

determinano le interazioni tra biomolecole

28

Il riconoscimento tra molecole è dovuto a

La complementarietà strutturale =

strumento di riconoscimento delle

molecole, permette di ottenere interazioni

molto specifiche. Sono mediate da una

moltitudine di interazioni deboli, non

covalenti che rendono complessivamente il

legame forte ma allo stesso tempo

reversibile.

Se molecola è piccola: ligando. Modello a

chiave e serratura.

Il riconoscimento molecolare

+

Complementarietà strutturale: legame

transiente

29

Stato nativo

Biomolecola funzionale

Calore

(pH, forza ionica)

Stato denaturato

Perdita della funzione

Le interazioni deboli confinano gli organismi viventi

in un ristretto intervallo di condizioni ambientali

Le macromolecole biologiche sono funzionalmente attive solo in un ristretto

intervallo di condizioni fisiche. Sono soggette alla perdita della struttura

(funzione) per denaturazione.

Distruzione delle

forze deboli

Le cellule non tollerano reazioni in cui sono rilasciate elevate quantità di energia

Il metabolismo assicura il rilascio e la

cattura di energia in maniera controllata

30

La combustione del glucosio

Rilascia molta energia

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 2870 kJ/mol energia

6 CO2 + 6 H2O

Metab

olism

o

36-38 ATP 6 CO2 + 6 H2O

Glucosio

Nelle cellule

Energia = Calore

Glucosio Calorimetro

Vie

sequenziali d

i trasform

azioni ch

imich

e

Gli enzimi catalizzano le reazioni del

metabolismo

31

Un enzima rappresentativo

l’anidrasi carbonica

La velocità delle reazioni (bio)chimiche : fattore

importante.

Condizioni ambientali restrittive, indispensabili

catalizzatori biologici: enzimi.

1) Accelerano le reazioni

2) Rendono le reazioni specifiche.

Le reazioni devono essere regolate perché il

metabolismo proceda armoniosamente.

3) La loro attività è regolata.

Gli enzimi non hanno influenza sui cambiamenti

energetici e quindi sulla direzione delle reazioni

I principi della logica molecolare

della vita:

32

La cellula è un sistema di molecole in grado di autoassemblarsi e di

autoperpetuarsi, che estrae energia e materiali grezzi dal suo

ambiente

Le trasformazioni chimiche che avvengono all’interno di una cellula

sono dovute ad una grande varietà di molecole molte delle quali

hanno un contenuto informazionale codificato in forma lineare

La funzione delle macromolecole è dovuta alla loro struttura

tridimensionale che è stabilizzata da molte interazioni deboli che

agiscono in maniera cooperativa, ma al tempo stesso consentono

una sufficiente flessibilità necessaria per le loro funzioni biologiche.

La chimica è la logica dei fenomeni

biologici

33

Tutti gli organismi sono estremamente simili a livello cellulare

e molecolare, producendo una serie di principi organizzativi

validi per tutte le forme di vita.

Questi principi nel loro insieme vanno sotto il nome di logica

molecolare della vita.

La biochimica descrive in termini molecolari le strutture, i

meccanismi ed i processi chimici comuni a tutti gli organismi

e si occupa di comprendere come migliaia di biomolecole

differenti interagiscono tra loro per conferire le proprietà

uniche dei sistemi viventi.