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  • 1Le cellule

    Caratteristiche degli organismi viventi

    Complessi e organizzati Capaci di estrarre/trasformare energia Capaci di rispondere a cambiamenti

    ambientali Capaci di autoreplicarsi Sono compartimentati Seguono le leggi della Fisica e della

    Chimica!

  • 2Sistemi biologici e biomolecole Pochi elementi naturali, leggeri (fondamentalmente,

    C, N, O, H) Sistemi lontani dallequilibrio, spesso allo stato

    stazionario Reazioni chimiche catalizzate Macromolecole costituite di unit semplici (struttura

    gerarchica) Proteine Acidi nucleici Polisaccaridi

    Importanza delle strutture tridimensionali Chimica acquosa

    Elementi nel corpo umano

  • 3PRINCIPALI CLASSI DI

    BIOMOLECOLE

    Termodinamica e funzioni di stato

    Funzioni di stato: dipendono solo dagli stati iniziale e finale del sistema

    Entalpia: quantit di energia che un sistema pu scambiare con lambiente

    H = U + P V

    Nei sistemi biologici,H q (calore a pressione costante)

  • 4Energia libera (di Gibbs)

    Funzione di stato che consente di valutare se un processo spontaneo

    G = H TSDove:H = entalpiaS = entropia

    La variazione in energia liberadetermina la direzione di un

    processo

    G = Gprodotti - GreagentiG = H - T S

    G < 0 reazione esoergonica, spontanea

    G > 0 reazione endoergonica; richiede energia dallesterno

    G = 0 reazione allequilibrio

  • 5EntropiaG = H - T S

    Lentropia una misura del grado di disordine di un sistema

    Lentropia aumenta quando il sistema diventa pidisordinato e diminuisce quando il sistema pistrutturato

    Molte reazioni biologiche tendono ad aumentare lordine e a diminuire in entropia (S < 0)

    Reazioni esotermiche (H < 0) che aumentano in entropia (S > 0) avvengono spontaneamente (G< 0)

    Reazioni endotermiche (H > 0) possono avvenire spontaneamente se T S > H

    Esempi di differenze di entropia

    BASSA ENTROPIA

    Acqua - ghiaccio

    Poesia

    Scrivania di un bancario

    ALTA ENTROPIA

    Acqua - vapore

    Serie casuale di lettere

    Scrivania di uno scienziato

  • 6Da: Lehninger

    Un processo esoergonico: la diffusione attraverso una

    membrana

    membrana

    tempo

  • 7Effetto idrofobico

    Molecole dacqua ordinate

    G e costante di equilibrio

    La variazione di energia libera di una reazione dipende dalle concentrazioni di reagenti e prodotti

    G = G + RT ln [prodotti]/[reagenti]dove: G = variazione di energia libera standard

    Allequilibrio:0 = G + RT ln [prodotti]/[reagenti]

    da cui

    G = - RT ln Keq

  • 8Costanti di equilibrio e variazioni di energia libera standard

    Keq0,0010,010,11,0

    10,0100,0

    1000,0

    G (kJ/mole)17,111,4

    5,70,05,7

    -11,4-17,1

    Variazioni di energia libera standard G

    Pressione atmosferica; t = 25 C Attivit chimica (concentrazione) = 1 In Biochimica, lo stato standard a pH = 7 Allacqua attribuito comunque un valore

    pari ad 1

  • 9I legami fosfoanidridici dellATP

    Sub-

    Trasferimento di un gruppo fosfato

    Trasferimento di un gruppo adenilico

    Sub-

    ATP

  • 10

    Una reazione energeticamente sfavorita pu procedere se accoppiata ad una

    favorita Molte reazioni biochimiche sono energeticamente sfavorite (G > 0) e non procedono spontaneamente

    Le cellule possono condurre tali reazioni accoppiandole ad una reazione (processo) con un G maggiormente negativo

    Reazioni energeticamente sfavorite sono spesso accoppiate allidrolisi dellATP che ha un G = -7.3 kcal/mol

    Lenergia utilizzabile in una molecola di ATP contenuta nei legami fosfoanidridici

    Reazioni accoppiate

  • 11

    Importanza di intermedi fosforilati

    Composti in genere stabili cineticamente

    LATP usato per alimentare numerosi processi

    The ATP cycle

    Luce (fotosintesi) o composti ad alta energia potenziale (respirazione)

    Sintesi di macro-molecole (proteine, DNA)

    Sintesi di altri componenti cellulari)

    Movimenti cellulari

    Trasporti di molecole/ ioni contro gradiente

    Generazione di potenziali elettrici

    Calore

  • 1GLI -AMMINOACIDI

    Sono caratterizzati da un gruppo carbossilico e da un gruppo amminico legato al carbonio adiacente ()

    Si differenziano per il gruppo sostituente -R

    Gli amminoacidi costituenti le proteine:

    Sono venti (standard), -ammino-acidi, apparte-nenti alla serie L

    Sono anfoteri Caratterizzati da un punto isoelettrico (pI) dovuto

    ai gruppi ionizzabili Esistono numerosi altri amminoacidi con ruoli

    diversiLa sequenza degli amminoacidi (struttura

    primaria) determina la struttura spaziale La struttura determina la funzione

  • 2Stereoisomeria degli amminoacidi

    Carbonio asimmetrico

    Tutti gli amminoacidi standard, tranne la glicina, possiedono almeno un carbonio asimmetrico

    La convenzione secondo Fischer per la configurazione fa riferimento alla

    gliceraldeide:

  • 3Importanza della stereoisomeria: solamente un enantiomero possiede

    attivit anti-infiammatoria

    Propriet acido-base

    Gli amminoacidi sono acidi poli-protici deboli pH basso: gruppo amminico e carbossilico protonati pH neutro: si dissocia il carbossile pH alto: si dissocia il gruppo ammonio A pH fisiologico (pH ~7.0) stabile la forma

    zwitterionica: i gruppi amminici sono protonati, il carbossile completamente dissociato. Gruppo carbossilico : pKa ~ 2 Gruppo amminico : pKa ~ 9

  • 4Propriet acido-base Punto isoelettrico (pI): valore di pH al quale

    lamminoacido ha carica netta nulla. Nel caso di un amminoacido con catena laterale neutra

    dato da:

    )pKpK(21pI )NH(a2COOH)(a1 3+ +=

    pKa1 pKa2

    Amminoacidi con catene

    laterali apolari

    gruppi R non polari, alifatici

    gruppi R aromatici

  • 5Amminoacidi con catene laterali polari

    La prolina un imminoacido(contiene un gruppo amminico secondario)

  • 6Amminoacidi carichi

    gruppi R carichi positivamente (basici)

    gruppi R carichi negativamente (acidi)

    Alcune propriet degli amminoacidi standard

    Lehninger Introduzione alla Biochimica, ed. Zanichelli

  • 7La cisteina pu formare ponti disolfuro (ossidazione)

    Gli spettri UV di amminoacidi aromatici

  • 8Curva di titolazione della

    glicina

    )pKpK(21pI )NH(a2COOH)(a1 3+ +=

    Curva di titolazione del glutammato

  • 9Curva di titolazione dellistidina

    Alcuni amminoacidi modificati (dopo la traduzione)

  • 10

    Importanti molecole derivate da amminoacidi

    La selenocisteina (Sec), il ventunesimo amminoacido

    Analogo alla Cys, contiene Selenio al posto di Zolfo

    Deriva da una modificazione della Serina; inserita come tale nelle proteine. E codificata in modo particolare

    Importante in numerosi enzimi ossido-riduttivi Negli Archaea esiste un 22 amminoacido, la

    pirrolisina (Pyl).

  • 11

    Il legame peptidico

    Il legame peptidico si genera (formalmente) per eliminazione di una molecola di acqua tra gruppo carbossilico ed amminico

  • 1Le proteine

    Sono polimeri lineari costituiti di amminoacidi

    Contengono diversi gruppi funzionali Possono formare strutture complesse Possono essere rigide (strutturali) o

    flessibili

    Alcuni ruoli delle proteine Enzimi (biocatalizzatori) Proteine strutturali - collagene Proteine regolatrici - ormoni (ad esempio:

    insulina, glucagone) Proteine di trasporto emoglobina (O2) Proteine di trasporto di membrana Recettori Proteine contrattili - actina, miosina Proteine di difesa anticorpi Proteine che decodificano linformazione

  • 2Le proteine sono polimeri lineari costituiti da amminoacidi

    Le proteine sono polimeri lineari, non ramificati, degli amminoacidi

    Il legame peptidico o carboammidico si genera (formalmente) per eliminazione di una molecola di acqua tra gruppo carbossilico di un amminoacido ed amminico dellamminoacido adiacente

    Lequilibrio sarebbe spostato verso lidrolisi I legami peptidici sono cineticamente stabili Per convenzione il polimero viene letto partendo dallammino-

    acido N-terminale

    Il legame peptidico ha un parziale carattere di doppio legame: non ruota

    liberamente Si trova quasi sempre nella configurazione trans (C

    da lati opposti) a minore ingombro sterico

  • 3Il legame peptidico un sistema planare

    Sei atomi giacciono sullo stesso piano

    Il legame peptidico

    A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche propriet elettriche: dipolare.

    O

    N

    H

    C1

    C2

    + 0.42

    - 0.42

    - 0.20

    + 0.20

    -

    +

  • 4Il grafico di Ramachandran

    elica

    Foglietti O

    N

    H

    CH3

    C1

    C2

    La struttura delle proteine pu essere suddivisa in quattro livelli

    STRUTTURA PRIMARIA: sequenza degli amminoacidi uniti da legami peptidici. Legami covalenti

    STRUTTURA SECONDARIA: organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio dei residui amminoacidici adiacenti (come, ad es. -elica e struttura ). Legami a idrogeno

    STRUTTURA TERZIARIA: ripiegamento della catena polipeptidica dovuto ad interazioni deboli. In tale ripiegamento sono presenti diversi tipi di struttura secondaria. Proteine globulari

    STRUTTURA QUATERNARIA: interazioni esistenti fra varie subunit, nel caso in cui le proteine siano costituite da pi catene polipeptidiche.

  • 5Struttura primaria

    Struttura pr