BIOCHIMICA

Studio della vita a livello molecolare

Lo stato vivente • programma di replicazione replicazione del programma• complessità chimica e organizzazione• mutabilità• catalisi ed estrazione di energia dall’ambiente

La Biochimica è interdisciplinare

Varie discipline contribuiscono alla comprensione della biochimica :

Fisica Genetica

Chimica Fisiologia

Biologia cellulare Evoluzione

Logica molecolare della vita

Presupposto: la materia vivente obbedisce alle stesse leggi chimiche e fisiche che governano tutta la materia

⇒ la materia vivente è costituita da atomi e molecole

⇒ qualunque funzione biologica può essere descritta sulla base della struttura e delle reazioni tra molecole

⇒ evoluzione, differenziamento e comportamento possono essere ricondotti alla analisi molecolare

La vita è caratterizzata da: Biodiversità: licheni, meduse

microbi,sequoie, uomini etc..

Unità Chimica: la materia vivente (sulla terra) obbedisce alle stesse leggi chimiche e fisiche che governano tutta la materia

La vita necessita di trecose:

(1) ENERGIA:

• da estrarre• da trasformare• da utilizzare

(2) MOLECOLE SEMPLICI

• convertire• polimerizzare• degradare

da sapere:

(3) MECCANISMI CHIMICI

• sfruttamento dell’energia• condurre reazioni chimiche in sequenza• sintetizzare e degradare macromolecole• Mantenere uno “steady state” dinamico • Auto-assemblare strutture complesse• Replicare accuratamente• Mantenere un “ordine” biochimico rispetto

all’ambiente esterno

Le questioni da affrontare con l’approccio molecolare

• Quali sono le strutture chimiche dei componenti della materia vivente?

• In che modo la struttura chimica influenza la funzione?

• Quali sono le interazioni importanti nel determinare la formazione delle sovrastrutture BIOLOGICHE?

• Come viene estratta dall’ambiente l’energia necessaria al mantenimento e alla crescita? •Come vengono regolate le reazioni biologiche?

• Come vengono immagazzinate le informazioni e come vengono trasmesse?

• Quali cambiamenti chimici sono connessi all’invecchiamento e alla morte?

La Biochimica è una SCIENZA MODERNA

Pasteur:“ il caso favorisce la mente preparata”

• I Buchner alla fine del secolo (1897) isolano una sostanza, da loro battezzata "zimasi" (estratto da cellule di lievito). ⇓Si può produrre la fermentazione degli zuccheri anche in assenza di cellule vive. Il metabolismo diviene chimica: muore il VITALISMO!

• Pasteur 1860: la fermentazione è legata alle cellule di lievito viventi.

• Wöhler 1828: sintesi dell’urea da cianato di ammonio, senza bisogno di “un rene o di un essere vivente uomo o cane che sia”

Le interazioni deboli sono determinanti nelle proprietà dei

polimeri

Linus Pauling scopre la struttura delle prime proteine fibrose, predice la famosa alfa elica: unici dati sperimentali erano poche macchie di diffrazione ai raggiX

La Chimica-fisica moderna getta le basi per la comprensione fisica del legame-chimico (inizi ‘900)

La conformazione è l’elementoimportante per le proprietà molecolari

La cellula è una foresta di composti chimici e sede di moltissime reazioni chimiche

Hans Krebs scopre tra il 1932 e la vigilia della guerra il ciclo metabolico che porta il suo nome, un esempio importante della moltitudine di processi biochimici scoperti in questo arco di secolo, che si rivelano straordinariamente simili in tutte le specie viventi, dai batteri ai grandi mammiferi e all'uomo.

1930-1950: lo sviluppo della microscopia elettronica apre leporte all’indagine della strutturacellulare

mitocondri: (Kennedy, Lehninger)fosforilazione ossidativa: nella membrana.

cloroplasti (Hill,Calvin). fotosintesi:

mitocondrio

cloroplastoIl mistero dell’intermedio X nella sintesi di ATP

Bioenergetica cellulare

L’ipotesi chemiosmotica :Peter Mitchell (1960), risolve il mistero dell’intermedio ~X con un’idea rivoluzionaria: il gradiente di protoni attraverso la membrana!è accoppiato con la sintesi di ATP.

L’enzima che catalizza la reazione chemio-osmotica (ATP-sintetasi) e’ un grande complesso proteico di membrana. Nobel 1998 a Boyer, Walker.

Griffith 1928 proprietà trasformanti dei pneumococchi: si riconosce la natura chimica del “fattore trasformante”.

Oswald Avery 1944 “....un acido nucleico del tipo deossiribosio e’ l’unita’ fondamentale del fattore trasformante del pneumococco...”: inizio alla saga del DNA.

Genetica

DNA RNA Protein

Chargaff’s Rules: A=T and G=C

purines = pyrimidines

Erwin Chargaff 1950 analisi chimiche: in tutte le specie di DNA studiate il rapporto tra adenina e timina e quello tra guanina e citosina sono circa unitari.

Maurice Wilkins Rosalind Franklin

X-Ray Diffraction Pattern of DNA Fibers (1953)

April 25, 1953 MOLECULAR S TRUCTURE OF NUCLEIC

ACIDSA S tructure for Deoxyribose Nucleic Acid

We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of considerable biological interest.

…It has not escaped our notice that the specific pairing

we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.

…J. D. WATSON F. H. C. CRICK

Medical Research Council Unit for the Study of Molecular Structure of Biological Systems,

Cavendish Laboratory, Cambridge.

Human Genome Sequence

DNA Double Helix, Watson & CrickNature, 1953

2003

Human Chromosomes, KaryotypeIl genoma umano è una sequenza di 3 miliardi di lettere (basi) organizzate in sequenza di DNA.Solo il 2-3% codifica per proteine!! La complessità non è data dal numero di cromosomi!Ogni individuo ha polimorfismi 0.2% (DNA fingerprinting)

Il DNA SPAZZATURA oggi sembra il maggior candidato per definire la complessità• trasposoni• geni a RNA (riboswitch)• segnali epigenetici (per alzare o abbassare la voce dei geni)

DAL SEMPLICE AL COMPLESSO

Albero evolutivo che indicale linee di discendenza comune della vita cellulare

filogenesi : oggi basata sulle analogie molecolare di DNA, RNA

e proteine

A livello molecolare gli organismi sono molto simili tra loro rivelando una origine ancestrale comune

I processi biochimici principali sono comparsi molto presto nella storia evoluzionistica:

4.6 miliardi di anni fa nasce la terra3.6 miliardi di anni fa: cianobatteri

1. Comparsa di molecole autoreplicanti( Mondo a RNA? )2. Compartimentazione3.Passaggio dell’informazione da RNA a DNA

Esperimento di Miller e Urey 1953

Molecole Biologiche prodotte in laboratorio a partire da: H2O, NH3, CH4, H2

Dal prebiotico alla vita“evoluzione molecolare”

John Kendrew e Max Perutz

La Mioglobina e l’Emoglobina

Max Perutz : metodo per determinare la struttura delle proteine piu’ complesse, mediante la diffrazione dei raggi X : sostituzione isomorfa la soluzione del difficile problema della fase.

John Kendrew determinò in questo modo la prima struttura di una proteina globulare (1957), quella della mioglobina. Perutz nel 1959: la struttura dell’emoglobina

mioglobina ed emoglobina usate nellafilogenesi

l ’α-elica è un elemento di struttura come predetto da Pauling!!

Le implicazioni a livello di conoscenza e le sfide del futuro

• tecniche di manipolazione genetica-biotecnologie

• applicazioni mediche e farmacologiche (ingegneria proteica, farmacogenetica)

• blueprint e medicina

• il sistema immunitario

•la differenziazione cellulare

•il sistema nervoso

• l’evoluzione

A- Chimica strutturale e relazione con la funzione: le biomolecole I.• Strategia dell’architettura molecolare della vita

• Acidi Nucleici: i costituenti, la struttura funzione biologica: replicazione, trascrizione e traduzione

• Proteine: i costituenti, la struttura e le diverse funzioni, l’evoluzione

B- Chimica strutturale e relazione con la funzione: le biomolecole II.

Le reazioni biochimiche• Catalisi enzimatica: principi generali, meccanismi di regolazione

• Carboidrati: monosaccaridi, polisaccaridi, glicoproteine, ruolo biologico

• Lipidi: costituenti, le membrane biologiche, struttura e proprietà delle membrane, trasporto di membrana, membrane eccitabili

•Accenni al funzionamento di macchine molecolari

•D. Voet, J.Voet, C.W.Pratt: Fondamenti di Biochimica(trad. italiana, Zanichelli)

• J.Berg, J.L. Tymoczko, L.StryerBiochimica (trad. italiana, V edizione, Zanichelli)

• Stryer : Biochimica (trad. italiana, V edizione, Zanichelli)

• Lehninger, Nelson, Cox : Principi di Biochimica (trad. italiana, II edizione, Zanichelli)

Orario di ricevimento: martedì ore 15-17

presso: Dipartimento di Scienze Chimiche, via Marzolo, 1

www.chimica.unipd.it (Personale/Carbonera)