Tratto da:“Atti dell’Accademia Nazionale dei Lincei, 2003, 30, 27-40”

“L’approccio chimico all’interpretazione della reltà ha l’affascinante prerogativadi collegare il mondo macroscopico, le proprietà di tutto ciò che ci circonda

ed i fenomeni che avvengono dentro e fuori di noi al mondo microscopico degli atomi e delle molecole.

Seguendo questo approccio è infatti possibile ordinare tutti gli oggetti a noinoti in base alla loro crescente complessità e costruire

la così detta scala della complessità chimica che, partendo dagli atomi e dalle molecole,

arriva con una meravigliosae stupefacente continuità fino all’uomo”

Tutta la vita è basata sulle proprietà degli atomi ed è governata dagli stessi principi

della chimica e della fisica, come tutti gli altri tipi di materia

Le proprietà delle cellule e dei loro organelli riflettono direttamente

le caratteristiche delle molecole che li compongono

E’ impossibile comprendere le funzioni cellulari al di fuori della conoscenza

delle basi molecolari della vita

La scala della complessità chimica parte dagli atomi, i più piccoli mattonidella materia, anche se a loro olta sono costituiti da particelle ancora più

piccole: elettroni, protoni, neutroni. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo con unavelocità simile a quella della luce, formando una nube attorno al nucleo

Gli atomi di un particolare elemento hanno tutti lo stesso numero di protoni, che corrisponde al numero degli elettroni.Il numero di protoni corrisponde al numero atomicoLa massa atomica corrisponde al numero di protoni+neutroni

Solo circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vitaSolo circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vita

Quattro di questi costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano

Quattro di questi costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano

• Ossigeno (O)

• Carbonio (C)

• Idrogeno (H)

• Azoto (N)

Calcio (Ca), fosforo (P), potassio (K), zolfo (S) e pochi altri costituiscono il rimanente 4%

Calcio (Ca), fosforo (P), potassio (K), zolfo (S) e pochi altri costituiscono il rimanente 4%

Ci sono poi circa altri 15 elementi che si trovano in tracce. Assieme sono poco più di un decimillesimo

Ci sono poi circa altri 15 elementi che si trovano in tracce. Assieme sono poco più di un decimillesimo

Pur essendo in tracce, la loro importanza non è minore. Infatti nella maggior parte dei casi l’organismo non sopravviverebbe senza di questi elementi

Pur essendo in tracce, la loro importanza non è minore. Infatti nella maggior parte dei casi l’organismo non sopravviverebbe senza di questi elementi

La rilevante percentuale di O2 è dovuta al fatto che esso entra nella composizione dell’acqua (H2O) la sostanza che compone quasi il 90% del nostro organismo

Oltre a comporre l’acqua, l’ ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici

Oltre a comporre l’acqua, l’ ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici

Elementi importanti dal punto di vista biologico

Il carbonio costituisce lo scheletro di tutti i composti organici (ogni C forma 4 legami)

Il carbonio costituisce lo scheletro di tutti i composti organici (ogni C forma 4 legami)

L’ idrogeno è presente in tutti i composti organici; è un componente dell’acqua. L’ idrogeno è presente in tutti i composti organici; è un componente dell’acqua.

Nelle proteine e negli acidi nucleici oltre ai tre precedenti elementi, è presente l’ azoto

Nelle proteine e negli acidi nucleici oltre ai tre precedenti elementi, è presente l’ azoto

Il calcio in forma ionica (Ca++) è importante per la contrazione muscolare, per la liberazione di neurotrasmettitori. È una componente strutturale di denti e ossa

Il calcio in forma ionica (Ca++) è importante per la contrazione muscolare, per la liberazione di neurotrasmettitori. È una componente strutturale di denti e ossa

Il fosforo è componente degli acidi nucleici e dell’ATP. Componente strutturale delle ossa

Il fosforo è componente degli acidi nucleici e dell’ATP. Componente strutturale delle ossa

Sodio, potassio e Cloro in forma ionica (Na+, K+, Cl-) sono importanti per l’attività elettrica del neurone (e nelle cellule in generale)

Sodio, potassio e Cloro in forma ionica (Na+, K+, Cl-) sono importanti per l’attività elettrica del neurone (e nelle cellule in generale)

Il comportamento chimico di un atomo dipende dal numero di elettroni presentinel livello energetico più esterno che vengono definiti “di valenza”

Gli atomi si combinano per formare molecoleMolecole diverse si uniscono per formare i composti

A partire da 96 elementi si possono ottenere un numero enorme di molecole,Sono , infatti, milioni le molecole presenti in Natura e, in questi ultimi anni, oltre15 milioni di molecole sono state ottenute artificialmente (saccarina)

I legami con cui possono combinarsi gli atomi e le molecole fra di loro possono essere definiti :

Legami covalenti:Polari

Apolari

Legami non covalenti:Ionici

IdrogenoInterazioni idrofobiche e forze di Van der Waals

Legame Covalente

Un legame covalente semplice viene a formarsi quando due atomi condividono una coppia di elettroni di valenza in modo tale che entrambi raggiungono una condizione più stabile

Un legame covalente semplice viene a formarsi quando due atomi condividono una coppia di elettroni di valenza in modo tale che entrambi raggiungono una condizione più stabile

Ad esempio due atomi di H condividono una coppia di elettroni in modo tale che entrambi raggiungono la condizione con due elettroni nel un primo livello energetico ( guscio K che contiene un solo orbitale)

Ad esempio due atomi di H condividono una coppia di elettroni in modo tale che entrambi raggiungono la condizione con due elettroni nel un primo livello energetico ( guscio K che contiene un solo orbitale)

In questo modo il C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo livello energetico (che contiene 4 orbitali)

In questo modo il C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo livello energetico (che contiene 4 orbitali)

Un atomo di C condivide una coppia di elettroni con ciascuno dei quattro atomi di H cui si lega

Un atomo di C condivide una coppia di elettroni con ciascuno dei quattro atomi di H cui si lega

H H

Oltre a poter formare legami con più atomi diversi, uno stesso atomo può formare più legami covalenti con un singolo atomo

Oltre a poter formare legami con più atomi diversi, uno stesso atomo può formare più legami covalenti con un singolo atomo

Ciò avviene quando due atomi condividono non una sola ma più coppie di elettroni (ad es. in O2)

Ciò avviene quando due atomi condividono non una sola ma più coppie di elettroni (ad es. in O2)

OO

OO

Legami covalenti polari

In una molecola gli atomi che formano tra loro un legame possono avere una differente tendenza ad attrarre elettroni (si dice che uno è più elettronegativo dell’altro)

In una molecola gli atomi che formano tra loro un legame possono avere una differente tendenza ad attrarre elettroni (si dice che uno è più elettronegativo dell’altro)

Questo accade per esempio nella molecola dell’acqua dove l’Ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno

Questo accade per esempio nella molecola dell’acqua dove l’Ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno

Gli elettroni condivisi passano più tempo attorno all’O che all’HGli elettroni condivisi passano più tempo attorno all’O che all’H

Le molecole polari di importanza biologica contengonouno o più atomi elettronegativi come O, N, S

La presenza di legami polarizzati è della massima importanza nel determinare la reattività delle molecole

Grandi molecole apolari come cere e grassi sono inerti, mentrele più importanti molecole biologiche come

proteine e fosfolipidipresentano regioni polari e non polai che si comportano

in maniera totalmente differente

Legame Ionico

Quando due atomi differiscono notevolmente nella loro elettronegatività e uno mostra forte tendenza a perdere elettroni e l’altro ad acquistarli può avvenire il trasferimento di un elettrone da un atomo all’altro

Quando due atomi differiscono notevolmente nella loro elettronegatività e uno mostra forte tendenza a perdere elettroni e l’altro ad acquistarli può avvenire il trasferimento di un elettrone da un atomo all’altro

L’esempio di come questo trasferimento può legare assieme atomi differenti è dato dal cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina

L’esempio di come questo trasferimento può legare assieme atomi differenti è dato dal cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina

All’inizio i due atomi sono elettricamente neutri ma instabili e fortemente reattivi

All’inizio i due atomi sono elettricamente neutri ma instabili e fortemente reattivi

Il sodio ha un elettrone ‘in più’ rispetto al numero che serve per completare il guscio elettronico esterno e assumere una configurazione stabile (8 elettroni)

Il sodio ha un elettrone ‘in più’ rispetto al numero che serve per completare il guscio elettronico esterno e assumere una configurazione stabile (8 elettroni)

Al cloro invece manca un elettrone per raggiungere la configurazione stabile con 8 elettroni nel guscio esterno

Al cloro invece manca un elettrone per raggiungere la configurazione stabile con 8 elettroni nel guscio esterno

La reazione tra sodio e cloro permette ad entrambi di ottenere una condizione stabile con otto elettroni nel guscio esterno

La reazione tra sodio e cloro permette ad entrambi di ottenere una condizione stabile con otto elettroni nel guscio esterno

Il cloro “strappa” un elettrone al sodioIl cloro “strappa” un elettrone al sodio

Ora però il sodio è caricato positivamente (ha perso un elettrone cioè una carica

unitaria) Na+

Ora però il sodio è caricato positivamente (ha perso un elettrone cioè una carica

unitaria) Na+

Il cloro invece è caricato negativamente (ha acquistato un elettrone cioè una carica

unitaria) Cl-

Il cloro invece è caricato negativamente (ha acquistato un elettrone cioè una carica

unitaria) Cl-

Cationi Anioni

Legame IonicoLegame Ionico

Poiché hanno cariche opposte, Na+ e Cl- si attraggonoPoiché hanno cariche opposte, Na+ e Cl- si attraggono

Legame Ionico

Allo stato solido i due ioni sono strettamente uniti a formare cristalli

Allo stato solido i due ioni sono strettamente uniti a formare cristalli

Quando un sale, ad esempio cloruro di sodio , viene disciolto in acqua le sue molecole si dissociano in ioni Na+ Cl-

Quando un sale, ad esempio cloruro di sodio , viene disciolto in acqua le sue molecole si dissociano in ioni Na+ Cl-

Nel sale NaCl allo stato solido il legame chimico è molto forte (in quanto le cariche opposte di Na+ e Cl- si attraggono)

Nel sale NaCl allo stato solido il legame chimico è molto forte (in quanto le cariche opposte di Na+ e Cl- si attraggono)

La separazione dei due ioni in soluzione è resa possibile dal fatto che in sostituzione del legame forte tra Na+ e Cl- si formano tanti legami deboli tra le molecole di acqua e gli ioni (il cosiddetto guscio di idratazione)

La separazione dei due ioni in soluzione è resa possibile dal fatto che in sostituzione del legame forte tra Na+ e Cl- si formano tanti legami deboli tra le molecole di acqua e gli ioni (il cosiddetto guscio di idratazione)

L’acqua infatti è un dipolo cioè una molecola con una parziale carica positiva e una parziale carica negativa in grado quindi di formarelegami sia con Na+

che con Cl-

L’acqua infatti è un dipolo cioè una molecola con una parziale carica positiva e una parziale carica negativa in grado quindi di formarelegami sia con Na+

che con Cl- (-) O

H (+)

H (+)

OH

H

Cl-

Na+

OH

HO

H

H

OH

H OH H

OH

HO

H

H

OHH

L’acqua è una molecola polare

Dal punto di vista chimico l’acqua è

un composto di idrogeno ed ossigeno

La sua molecola consiste di due atomi di idrogeno

e un atomo di ossigeno

Il suo diametro è di 0,2 nm in una goccia di

acqua sono presenti 1021

molecole (mille miliardi di miliardi)

Per questa proprietà

l’acqua partecipa ad un gran numero di interazioni, tutte importanti dal punto di vista biologico:

carica-dipolosolvatazione degli ioni

dipolo-dipolo solvatazione delle molecole polari

van der Waals determina la distanza tra molecole non interagenti con altre forze più intense

Legame a idrogeno

Un esempio di legame ad idrogeno è quello che si forma tra le molecole d’acqua

Un esempio di legame ad idrogeno è quello che si forma tra le molecole d’acqua

Il legame ad idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno con una carica parziale positiva e una altro atomo (ad es ossigeno o azoto) con una carica parziale negativa

Il legame ad idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno con una carica parziale positiva e una altro atomo (ad es ossigeno o azoto) con una carica parziale negativa

Esso può formarsi tra piccole molecole o tra parti diverse di una stessa grande molecola

Esso può formarsi tra piccole molecole o tra parti diverse di una stessa grande molecola

La forza di legame ad idrogeno è 1/20 di quella di un legame covalente. Tuttavia la formazione di molti legami ad idrogeno può conferire una notevole stabilità alle strutture

La forza di legame ad idrogeno è 1/20 di quella di un legame covalente. Tuttavia la formazione di molti legami ad idrogeno può conferire una notevole stabilità alle strutture

Proteine, DNA

Per le sue proprietà, acqua è un buon solvente per le sostanze polari ( per queste si usano i termini idrofile o idrosolubili)

Per le sue proprietà, acqua è un buon solvente per le sostanze polari ( per queste si usano i termini idrofile o idrosolubili)

Al contrario, poiché tra molecole polari come l’acqua e molecole apolari come idrocarburi, trigliceridi e altri lipidi non esiste attrazione e non si formano legami, questi ultimi sono insolubili in acqua

Al contrario, poiché tra molecole polari come l’acqua e molecole apolari come idrocarburi, trigliceridi e altri lipidi non esiste attrazione e non si formano legami, questi ultimi sono insolubili in acqua

Le molecole apolari tra loro formano altri tipi di legami…Le molecole apolari tra loro formano altri tipi di legami…

Forze di van der Waals

…le quali possono essere biologicamente importanti (es membrana citoplasmatica)

…le quali possono essere biologicamente importanti (es membrana citoplasmatica)

L’interazione si traduce nella tendenza che queste molecole apolari mostrano di unirsi tra di loro escludendo l’acqua...

H2O

I gruppi funzionali, sono particolari strutture di atomi che conferiscono alle molecole organiche le loro proprietà fisiche, la loro reattività chimica, la loro

solubilità in acqua

I due legami più frequenti fra gruppi funzionali sono i legami esterici

fra alcooli ed acidi carbossilici ed i legami ammidici

fra fra acidi carbossilici ed ammine

Gruppo ossidrile

Gruppo carbossile

Gruppo aminico

Gruppo fosfato

Gruppo carbonile

Gruppo carbonile

LEGAMI A IDROGENO

e

INTERAZIONI IDROFOBICHE

sono i due principali legami che determinano la struttura delle

BIOMOLECOLE

Interazioni che determinano la struttura delle biomolecole

Biomolecole legame H eff etto idrof obico

carboidrati lipidi

proteine acidi nucleici

Proteine: l’interazione idrofobica guida la creazione del “core” dove le catene aminoacidiche apolari risultano racchiuse; i legami H interni e con l’ambiente esterno determinano la struttura.

ribonucleasi

DNA: le interazioni idrofobiche guidano la formazione della doppia elica, con le basi aromatiche all’interno e lo scheletro zucchero-fosfato, polare/carico, esposto all’acqua;

i legami H determinano le interazioni tra le basi e quelle tra lo scheletro zucchero-fosfato e l’ambiente esterno

Membrane: le interazioni idrofobiche creano il bilayer lipidico

modello di membrana

cellulare

BIOMOLECOLE

TUTTE LE CARATTERISTICHE PROPRIE DI UN ORGANISMO VIVENTE SONO IL RISULTATO

DELL’ESISTENZA E DEL FUNZIONAMENTO DI QUATTRO CLASSI DI BIOMOLECOLE .

Le macromolecole organiche

•Lipidi•Glucidi•Proteine•Acidi nucleici

Tecnicamente solo le ultime tre categorie sono costituite da macromolecole

Tecnicamente solo le ultime tre categorie sono costituite da macromolecole

La caratteristica comune a tutte le macromolecole è di essere costituite da strutture complesse (polimeri) ottenute dall’assemblaggio di unità più piccole (monomeri).

La caratteristica comune a tutte le macromolecole è di essere costituite da strutture complesse (polimeri) ottenute dall’assemblaggio di unità più piccole (monomeri).

A partire dagli stessi monomeri ciascun organismo può costruire le proprie macromolecole

A partire dagli stessi monomeri ciascun organismo può costruire le proprie macromolecole

Durante la digestione, i polimeri vengono ‘scomposti’ in monomeri e assorbiti come tali.

Durante la digestione, i polimeri vengono ‘scomposti’ in monomeri e assorbiti come tali.

La maggior parte delle macro molecole ha una vita breve rispetto alla cellula:ad eccezione del DNA esseVengono continuamente demolite e sostiuite da nuove

La maggior parte delle macro molecole ha una vita breve rispetto alla cellula:ad eccezione del DNA esseVengono continuamente demolite e sostiuite da nuove

Idrolisi e condensazione: due reazioni chimiche estremamente importanti e diffuse

La condendensazione (o disidratazione) è la formazione di un legame tra due molecole (o anche tra due parti della stessa molecola) con perdita di una molecola d’acqua

La condendensazione (o disidratazione) è la formazione di un legame tra due molecole (o anche tra due parti della stessa molecola) con perdita di una molecola d’acqua

C

C

C

OH

HC

C

CC

H

OH

H

C

C

C

HC

C

CC

H

O

H

O

H H

L’idrolisi è in qualche modo il processo inverso: la rottura di un legame mediante l’aggiunta di una molecola d’acqua

L’idrolisi è in qualche modo il processo inverso: la rottura di un legame mediante l’aggiunta di una molecola d’acqua

I lipidi sono un gruppo eterogeneo di sostanze. Essi sono caratterizzati dalla loro insolubilità in acqua e dalla affinità per i solventi apolari e per gli altri lipidi

I lipidi sono un gruppo eterogeneo di sostanze. Essi sono caratterizzati dalla loro insolubilità in acqua e dalla affinità per i solventi apolari e per gli altri lipidi

• Trigliceridi

• Steroidi

• Fosfolipidi

• Carotenoidi

Funzione di depositoFunzione di deposito

Varie funzioni tra cui quella di messaggeri chimici (ormoni)

Varie funzioni tra cui quella di messaggeri chimici (ormoni)

Sono la base costituente delle membrane biologiche

Sono la base costituente delle membrane biologiche

Fotopigmenti,

antiossidanti

Fotopigmenti,

antiossidanti

TrigliceridiLa funzione primaria dei trigliceridi (grassi e olii) è quella di fornire energia per i processi metabolici.

La funzione primaria dei trigliceridi (grassi e olii) è quella di fornire energia per i processi metabolici.

I legami all’interno di queste molecole infatti contengono un alto livello di energia

I legami all’interno di queste molecole infatti contengono un alto livello di energia

1 gr di grassi ~ 9 cal 1 gr di zuccheri ~ 4 cal1 gr di proteine ~ 4 cal

Olii liquidi a 20° sono insaturi e presentano molti doppi legamiGrassi solidi a 20° sono saturi

Olii liquidi a 20° sono insaturi e presentano molti doppi legamiGrassi solidi a 20° sono saturi

I trigliceridi possono essere facilmente accumulati come riserva energetica in tessuti specializzati

I trigliceridi possono essere facilmente accumulati come riserva energetica in tessuti specializzati

Gli olii nei semi delle piante

Gli olii nei semi delle piante

I grassi nel tessuto adiposo degli animali

I grassi nel tessuto adiposo degli animali

Oltre a fornire direttamente energia, il tessuto adiposo può serve a coibentare

Oltre a fornire direttamente energia, il tessuto adiposo può serve a coibentare

Struttura chimica dei Trigliceridi

In ciascuna molecola di trigliceride, tre molecole di acidi grassi sono legate ad una molecola di Glicerolo

In ciascuna molecola di trigliceride, tre molecole di acidi grassi sono legate ad una molecola di Glicerolo

Aci

do

gras

so

Aci

do

gras

so

Aci

do

gras

so

Glicerolo

Il Glicerolo è una piccola molecola a tre atomi di carbonio

Gli acidi grassi sono costituiti da lunghe molecole (fino a 20 e più atomi di carbonio)

Nel trigliceride il legame si forma tra il gruppo COOH (carbossilico) dell’acido grasso e il gruppo OH del glicerolo. E prende il nome di legame di estere

Nel trigliceride il legame si forma tra il gruppo COOH (carbossilico) dell’acido grasso e il gruppo OH del glicerolo. E prende il nome di legame di estere

Ci sono due categorie di acidi grassi, quelli saturi e quelli insaturi

Ci sono due categorie di acidi grassi, quelli saturi e quelli insaturi

Alcuni acidi grassi posseggono più di un doppio legame nella loro catena. In questo caso si definiscono poliinsaturi

Alcuni acidi grassi posseggono più di un doppio legame nella loro catena. In questo caso si definiscono poliinsaturi

Se gli acidi grassi sono saturi, le molecole di trigliceridi si dispongono in modo ordinato e i lipidi sono solidi a temperatura ambiente

Se gli acidi grassi sono saturi, le molecole di trigliceridi si dispongono in modo ordinato e i lipidi sono solidi a temperatura ambiente

Se gli acidi grassi sono insaturi, le molecole di trigliceridi si dispongono in modo disordinato e i lipidi sono liquidi

Se gli acidi grassi sono insaturi, le molecole di trigliceridi si dispongono in modo disordinato e i lipidi sono liquidi

Burro

Olio di oliva

Fosfolipidi I fosfolipidi hanno una struttura affine a quella dei trigliceridi dove una delle catene di acidi grassi è sostituita da un gruppo fosforico

I fosfolipidi hanno una struttura affine a quella dei trigliceridi dove una delle catene di acidi grassi è sostituita da un gruppo fosforico

Gru

pp

o fo

sfor

ico Fortemente polare

Affinità per l’H2O

Aci

do

gras

so

Aci

do

gras

so

Glicerolo

Fortemente apolare Affinità per i lipidi

Molecola polare

Grazie a questa loro caratteristica di avere una porzione idrosolubile e una idrofobica, i fosfolipidi tendono naturalmente a disporsi con le teste idrofile rivolte verso l’acqua e le code idrofobe rivolte l’ una contro l’altra

Grazie a questa loro caratteristica di avere una porzione idrosolubile e una idrofobica, i fosfolipidi tendono naturalmente a disporsi con le teste idrofile rivolte verso l’acqua e le code idrofobe rivolte l’ una contro l’altra

Essi sono i pricipali componenti delle membrane biologicheEssi sono i pricipali componenti delle membrane biologiche

Steroidi

Si tratta di una famiglia di composti organici molto importanti che hanno una struttura comune basata su più anelli fusi tra loro

Si tratta di una famiglia di composti organici molto importanti che hanno una struttura comune basata su più anelli fusi tra loro

Il colesterolo è un importantissimo componente delle membrane cellulari

Il colesterolo è un importantissimo componente delle membrane cellulari

Di questa famiglia fanno parte una serie di molecole che hanno funzione di messaggeri chimici, gli ormoni steroidei

Di questa famiglia fanno parte una serie di molecole che hanno funzione di messaggeri chimici, gli ormoni steroidei

Sono O. steroidei per esempio gli ormoni sessuali come il testosterone o il progesterone

Sono O. steroidei per esempio gli ormoni sessuali come il testosterone o il progesterone

Carboidrati: Monosaccaridi, Disaccaridi e Policaccaridi

Sono molecole (CH20)n a 5 o a 6 atomi di carbonio di regola a forma di anello

Sono molecole (CH20)n a 5 o a 6 atomi di carbonio di regola a forma di anello

I monosaccaridi pentosi sono importanti costituenti degli acidi nucleici, RNA e DNA

I monosaccaridi pentosi sono importanti costituenti degli acidi nucleici, RNA e DNA

Ribosio e desossiribosioRibosio e desossiribosio

Il più noto è il glucosioIl più noto è il glucosio

I monosaccaridi esosi (fruttosio, galattosio, glucosio ecc.) sono implicati nel metabolismo energetico. Essi sono anche i costituenti di disaccaridi e polisaccaridi

I monosaccaridi esosi (fruttosio, galattosio, glucosio ecc.) sono implicati nel metabolismo energetico. Essi sono anche i costituenti di disaccaridi e polisaccaridi

Il glucosio è al centro dei processi del metabolismo energetico della cellula.

Esso esiste sia in forma ciclica che in forma lineare con la possibilità di passare da una forma all’altra

Il glucosio è al centro dei processi del metabolismo energetico della cellula.

Esso esiste sia in forma ciclica che in forma lineare con la possibilità di passare da una forma all’altra

GLUCOSIO

Disaccaridi

Il MALTOSIO è un disaccaride formato da due molecole di Glucosio

Il MALTOSIO è un disaccaride formato da due molecole di Glucosio

Il SACCAROSIO (lo zucchero da cucina) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Fruttosio

Il SACCAROSIO (lo zucchero da cucina) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Fruttosio

Il LATTOSIO (lo zucchero del latte) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Galattosio

Il LATTOSIO (lo zucchero del latte) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Galattosio

Formazione di unLegame glicosidico

Polisaccaridi

Funzione stutturaleFunzione stutturale

La cellulosa è costituita da grandi molecole lineari composte da sequenze di molecole di Glucosio. È il costituente principale della parete cellulare nei vegetali.

La cellulosa è costituita da grandi molecole lineari composte da sequenze di molecole di Glucosio. È il costituente principale della parete cellulare nei vegetali.

Anche nel regno animale si trovano polisaccaridi con funzione strutturale, ad es. la Chitina (esoscheletro degli insetti) e la galattosammina (cartilagini)

Anche nel regno animale si trovano polisaccaridi con funzione strutturale, ad es. la Chitina (esoscheletro degli insetti) e la galattosammina (cartilagini)

Riserva energeticaRiserva energetica

L’ Amido è un polimero del Glucosio poco ramificato. È il principale glucide di accumulo nei vegetali. Tramite enzimi può essere facilmente convertito a Glucosio

L’ Amido è un polimero del Glucosio poco ramificato. È il principale glucide di accumulo nei vegetali. Tramite enzimi può essere facilmente convertito a Glucosio

Il Glicogeno è anch’esso un polimero del Glucosio. Viene utilizzato come zucchero di riserva dagli animali e depositato nel fegato e nei muscoli.

È molto ramificato.

Il Glicogeno è anch’esso un polimero del Glucosio. Viene utilizzato come zucchero di riserva dagli animali e depositato nel fegato e nei muscoli.

È molto ramificato.

I GLICOSAMINOGLICANI (GAG)La loro struttura è caratterizzata da una alternnza di zuccheri

diversi A-B-A-B-A : Sono altamente acidi (gruppi carbossilici e solfato legati agli anelli degli zuccheri)Nelle matrici extracellulari sono presenti complessi

proteico-polisaccaridici noti come PROTEOGLICANI.I proteoglicani presentano un nucleo proteico a cui sono

attaccate covalentemete catene di GAG. A loro voltai proteoglicani possono formare complessi giganti,

assembalndosi mediante il legame dei loro nuclei proteicicon acido ialuronico (un GAG non solforato).

Grazie alla loro capacità di legare cationi , attirano una grande quantità di molecole d’acqua

e formano il caratteristico gel poroso che riempe gli spazi extracellulari.

Eparina

Le macromolecole organiche

•Lipidi•Glucidi•Proteine•Acidi nucleici

Esistono decine di migliaia di diverse proteine. In ciascun essere vivente esse svolgono funzioni fondamentali che nessun altro tipo di molecola potrebbe svolgere.

Esistono decine di migliaia di diverse proteine. In ciascun essere vivente esse svolgono funzioni fondamentali che nessun altro tipo di molecola potrebbe svolgere.

Nella cellula catalizzano migliaia di differenti reazioni chimiche (Enzimi)

Nella cellula catalizzano migliaia di differenti reazioni chimiche (Enzimi) Permettono il passaggio selettivo

di molecole attraverso la membrana (Canali Ionici e Pompe)

Permettono il passaggio selettivo di molecole attraverso la membrana (Canali Ionici e Pompe)

Trasportano specifiche molecole sia nelle cellule che nei fluidi esterni

Trasportano specifiche molecole sia nelle cellule che nei fluidi esterni

Attaccano selettivamente gli agenti esterni (anticorpi del S.I.)

Attaccano selettivamente gli agenti esterni (anticorpi del S.I.)

Fungono da messaggeri chimici (Ormoni e neurotrasmettitori)

Fungono da messaggeri chimici (Ormoni e neurotrasmettitori)

Hanno funzione strutturale sia all’interno della cellula (citoscheletro) che al di fuori (es cheratine)

Hanno funzione strutturale sia all’interno della cellula (citoscheletro) che al di fuori (es cheratine)

Regolano lo sviluppo e orchestrano il funzionamento dell’intera cellula

Regolano lo sviluppo e orchestrano il funzionamento dell’intera cellula

Presiedono al movimento sia all’interno della cellula (cilia, trasporto assoplasmatico) che a livello di sistema (es lavoro muscolare)

Presiedono al movimento sia all’interno della cellula (cilia, trasporto assoplasmatico) che a livello di sistema (es lavoro muscolare)

COME PUO’ UN UNICO TIPO DI MOLECOLA SVOLGERE FUNZIONI COSI’ DIVERSE?

GRAZIE ALLE DIVERSE FORME CHE LE PROTEINEPOSSONO ASSUMERE ED ALLA

CAPACITA’DI INTERAGIRE IN MODOALTAMENTE SPECIFICO CON ALTRE

MOLECOLE

Struttura chimica delle proteine

Ciascuna proteina è un polimero costituito da una serie di componenti di base, gli aminoacidi legati tra loro

Ciascuna proteina è un polimero costituito da una serie di componenti di base, gli aminoacidi legati tra loro

Esistono circa 20 diversi aminoacidi legati tra loro con un legame (che si chiama legame peptidico)

Esistono circa 20 diversi aminoacidi legati tra loro con un legame (che si chiama legame peptidico)

Ciascuna proteina e costituita da un numero variabile di aminoacidi.

Ciascuna proteina e costituita da un numero variabile di aminoacidi.

Le più piccole sono costituite da pochi aminoacidi (in reltà quelle più piccole vengono chiamate polipeptidi)

Le più piccole sono costituite da pochi aminoacidi (in reltà quelle più piccole vengono chiamate polipeptidi)

Le più grandi possono essere costituite anche da 5.000 aminoacidi. Il polipeptide più lungo trovato è formato da 30.000 aa

Le più grandi possono essere costituite anche da 5.000 aminoacidi. Il polipeptide più lungo trovato è formato da 30.000 aa

vali

na

Ala

nin

a

Pro

lin

a

Arg

inin

a

vali

na

Lis

ina

vali

na

trip

tofa

no

trip

tofa

no

Sono praticamente gli stessi in tutti i viventi

Ciascuno dei 20 aminoacidi ha: una parte comune agli altri e una parte che è specifica per quell’aminoacido

Ciascuno dei 20 aminoacidi ha: una parte comune agli altri e una parte che è specifica per quell’aminoacido

H

NH2-C-COOH R

H

NH2-C-COOH R

È la porzione dell’aminoacido che serve a formare il legame peptidico (con gli altri aminoacidi)

È la porzione dell’aminoacido che serve a formare il legame peptidico (con gli altri aminoacidi)

Residuo aminoacidicoResiduo aminoacidico

Chiamato anche con i termini:

Catena laterale Gruppo R

Chiamato anche con i termini:

Catena laterale Gruppo R

Il residuo aminacidico nei 20 aminoacidi differisce per il numero di atomi di C e per la presenza di gruppi funzionali

Il residuo aminacidico nei 20 aminoacidi differisce per il numero di atomi di C e per la presenza di gruppi funzionali

Esso fornisce proprietà diversa a ciascuno dei 20 aminoacidi

Esso fornisce proprietà diversa a ciascuno dei 20 aminoacidi

I venti aminoacidi differiscono tra loro in quanto:

• I residui sono carichi oppure elettricamente neutri• I primi possono avere carica positiva o negativa• Alcuni hanno residui idrofobici mentre altri hanno

residui polari• I residui hanno ingombri molto diversi• Alcuni residui hanno gruppi funzionali peculiari

Questa differenza nelle caratteristiche dei residui Aminoacidici determina sia la struttura tridimensionale della proteina che le sue funzionalità

Questa differenza nelle caratteristiche dei residui Aminoacidici determina sia la struttura tridimensionale della proteina che le sue funzionalità

Le caratteristiche delle catene laterali degli aminoacidi sonoimportanti sia nelle interazioni INTRAMOLECOLARI, che determinano la struttura e la attività della molecola,

sia nelle interazioni INTERMOLECOLRI

Gli AA sono classificati in base alle caratteristiche delle catene laterali:

POLARI con carica elettrica (aspartato, glutammato, lisina, arginina: i residui di arginina degli istoni formano legami ionici con

il gruppo fosforico del DNA)POLARI senza carica elettrica (serina, teronina, tirosina,

glutammina, asparagina; interagiscono con l’acqua)NON POLARI (alanina, valina,leucina, isoleucina, metionina,

fenilalanina, triptofano)CON PROPRIETA’ PARTICOLARI (glicina, prolina e

cisteina: contiene un gruppo sulfidrilico SH che spesso si lega ad un altro, formano un ponte disolfuro S-S)

NELLE PROTEINE TROVIAMO ANCHE AMINOACIDI DIVERSI, CHE HANNO SUBITO UNA MODIFICAZIONE

DOPO LA LORO INCORRPORAZIONE NELLA CATENA POLIPEPTIDICA:MODOFICAZIONI POST-TRADUZIONALI

AGGIUNTA GRUPPI FOSFATO (serina, tirosina, treonina)

L’acido glutammico o glutammato è anche uno dei più diffusi neurotrasmettitori (eccitatorio)

POLARE CON CARICA ELETTRICA : IL GLUTAMMATO

La glicina è un importante neurotrasmettitore inibitorio

La tirosina è il precursore delle catecolamine, importanti neurotrasmettitori e ormoni (Dopamina, noradrenalina, e adrenalina)

Il triptofano è il precursore della serotonina, un importante NT

Il legame peptidico

H

NH2-C-COOH

R

La porzione comune ad ogni aminoacido è costituita da un C cui sono legati il gruppo R, un idrogeno e due gruppi funzionali:

un gruppo aminico NH2

un gruppo carbossilico COOH

La porzione comune ad ogni aminoacido è costituita da un C cui sono legati il gruppo R, un idrogeno e due gruppi funzionali:

un gruppo aminico NH2

un gruppo carbossilico COOH

Il legame peptidico è un legame covalente e si forma tra il gruppo aminico NH2 di un aminoacido e il gruppo carbossilico COOH dell’altro

Il legame peptidico è un legame covalente e si forma tra il gruppo aminico NH2 di un aminoacido e il gruppo carbossilico COOH dell’altro

R

R

La struttura primaria di una proteina è data dalla sequenza degli aminoacidi che la compongono

La struttura primaria di una proteina è data dalla sequenza degli aminoacidi che la compongono

Nelle proteine si riconoscono quattro diversi livelli di struttura, primaria, secondaria, terziaria e in qualche caso , quaternaria

Questa, a sua volta, è specificata dalla sequenza di nucleotidi del DNA del gene che specifica per quella proteina

Questa, a sua volta, è specificata dalla sequenza di nucleotidi del DNA del gene che specifica per quella proteina

sostituzione

dell’acido glutammi

coaa polare

con la valina aa non polare

Struttura primaria(sequenza di aminoacidi)

A causa dei molteplici legami deboli (legami idrogeno) che si formano tra i residui aminoacidici, non appena sono assemblati gli aminoacidi non rimangono

allineati ma le catene si ripiegano in modo ordinato ( struttura secondaria)

A causa dei molteplici legami deboli (legami idrogeno) che si formano tra i residui aminoacidici, non appena sono assemblati gli aminoacidi non rimangono

allineati ma le catene si ripiegano in modo ordinato ( struttura secondaria)

Esistono due modi principali per ripiegarsi: - α Elica- Foglietto β (foglietto pieghettato)

Esistono due modi principali per ripiegarsi: - α Elica- Foglietto β (foglietto pieghettato) Il fatto che una

certa porzione dalla catena polipeptidica assuma l’una o l’altra struttura secondaria dipende da quali sono i residui aminoacidici e di conseguenza da quali legami deboli si instaurano

Il fatto che una certa porzione dalla catena polipeptidica assuma l’una o l’altra struttura secondaria dipende da quali sono i residui aminoacidici e di conseguenza da quali legami deboli si instaurano

Foglietto βFoglietto βα Elicaα Elica

Nella maggior parte delle proteine le catene di aminoacidi (siano esse organizzati ad α Elica che Foglietto β) si ripiegano a gomito dando così alla proteina una forma globulare

(struttura terziaria)

Nella maggior parte delle proteine le catene di aminoacidi (siano esse organizzati ad α Elica che Foglietto β) si ripiegano a gomito dando così alla proteina una forma globulare

(struttura terziaria)

Il ripiegamento è causato dalla formazione di legami sia deboli che covalenti tra i residui aminoacidici. La varietà di strutture terziarie è enorme

Il ripiegamento è causato dalla formazione di legami sia deboli che covalenti tra i residui aminoacidici. La varietà di strutture terziarie è enorme

In particolare tra due molecole dell’aminoacido cisteina si può formare un ponte disolfuro

In particolare tra due molecole dell’aminoacido cisteina si può formare un ponte disolfuro

Recentemente è stato scoperto che un numero sorprendente di proteine contiene segmenti che mancano

di una conformazione definita.Tali regioni rivestono ruoli chiave in processi cellulari

vitali, spesso legandosi a DNA o altre proteine.Dopo il legame con il partner appropriato tali

segmenti vanno incontro a modificazioni fisiche ed assumono una struttura ripiegata definita

PrPC (proteina prionica cellulare) e PrPSc (proteina prionica scrapie):

DIFFREISCONO NEL MODO IN CUI LA CATENA POLIPEPTIDICA SI ORGANIZZA NELLA STRUTTURA TRIDIMENSIONALE

La principale differenza tra la PrP cellulare e quella patogena risiede nella conformazione. La proteina che causa lo scrapie si propaga entrando in contatto con le molecole normali di PrP, provocandone lo svolgimento e il passaggio da una conformazione usuale a quella della PrP dello scrapie. Questo cambiamento dà origine ad una reazione a catena in cui le molecole appena trasformate, modificano la forma di altre molecole normali di PrP, e così via.In che modo differiscono le due strutture, normale e patologica?

La proteina normale è costituita soprattutto da

una struttura ad alfa eliche, mentre la struttura

che provoca lo scrapie, contiene filamenti beta

I dati che sostengono l’ipotesi secondo cui la PrP dello scrapie può indurre una molecola di PrP ad alfa elica a trasformarsi in una struttura a

zig-zag, derivano prevalentemente da due importanti studi:1)I peptidi sintetici, corrispondenti a tre delle quattro ipotetiche regioni

ad alfa elica della PrP, possono avvolgersi in modo da formare dei foglietti beta.

2)Nella loro conformazione a foglietto beta, questi peptidi possono imporre la stessa struttura a peptidi della PrP ad alfa elica.

Le molecole di PrP prodotte da geni mutanti, probabilmente non adottano la conformazione che causa lo scrapie al momento della sintesi;

in caso contrario, i portatori di geni mutanti si ammalerebbero nella prima infanzia. Si ritiene che la mutazione del gene per la PrP renda le

proteine risultanti, suscettibili ad un passaggio da una conformazione ad alfa elica a una a foglietto beta.

Presumibilmente, occorre tempo perché una molecola effettui spontaneamente il passaggio e ancora più tempo perché la PrP dello

scrapie si accumuli e danneggi i tessuti celebrali, fino al punto da produrre sintomi della malattia (perdita della coordinazione dei

movimenti e dell'equilibrio, forte prurito, atassia, degenerazione dei neuroni, possibile accumulo di depositi proteici sotto forma di

placche).Ma perché le varie mutazioni che sono state osservate nei geni per la PrP possono facilmente avvolgersi nella conformazione beta, cioè a

foglietto ripiegato?Molte delle mutazioni scoperte nell’uomo, provocano la sostituzione di uno degli amminoacidi situati nelle quattro ipotetiche eliche o sui loro

confini. La sostituzione con amminoacidi non corretti, in queste posizioni, potrebbe destabilizzare l’elica, aumentando così la

probabilità che la regione interessata e le sue limitrofe si riavvolgano in una beta conformazione.

 

CONFORMAZIONI GLOBALI

PROTEINE FIBROSE

(ES PROTEINE DI STRUTTURACOLLAGENE, ELASTINA,

CHERATINA,SETA)

PROTEINE GLOBULARI(ES. PROTEINE ALL’INTERNO

DELLA CELLULA: MIOGLOBINA)

DOMINI PROTEICI

MOLTE PROTEINE SONO COMPOSTE DA DUE O PIU’ MODULI DISTINTI CHE SI STRUTTURANO INDIPENDENTEMENTE L’UNO

DALL’ALTRO : I DOMINI

I DIVERSI DOMINI DI UN POLIPEPTIDE, SPESSO RAPPRESENTANO PARTI CHE LAVORANO IN MANIERA INDIPENDENTE

Alcune proteine mostrano struttura quaternaria in quanto sono composte da più sub-unità distinte: eterodimero o uguali: omodimero, legate tra loro

Alcune proteine mostrano struttura quaternaria in quanto sono composte da più sub-unità distinte: eterodimero o uguali: omodimero, legate tra loro

Il fatto che una data proteina assuma una determinata struttura secondaria e terziaria è determinato in modo automatico dalla sua struttura primaria

Il fatto che una data proteina assuma una determinata struttura secondaria e terziaria è determinato in modo automatico dalla sua struttura primaria

DENATURAZIONE E RINATURAZIONE

Esso è dovuto al formarsi di una quantità di legami deboli e attrazione tra le molecole nonché alla tendenza di certi residui aminoacidici di portarsi all’esterno della molecola (quelli idrofili) o all’interno (idrofobici) o verso porzioni della stessa proteina cariche positivamente o negativamente.

Esso è dovuto al formarsi di una quantità di legami deboli e attrazione tra le molecole nonché alla tendenza di certi residui aminoacidici di portarsi all’esterno della molecola (quelli idrofili) o all’interno (idrofobici) o verso porzioni della stessa proteina cariche positivamente o negativamente.

Se tuttavia mettiamo la proteina in un altro solvente (es. apolare) oppure ad un pH o una temperatura molto diversi da quelli nei quali si trovano abitualmente, la proteina cambia forma e perde le sue proprietà (DENATURAZIONE)

Se tuttavia mettiamo la proteina in un altro solvente (es. apolare) oppure ad un pH o una temperatura molto diversi da quelli nei quali si trovano abitualmente, la proteina cambia forma e perde le sue proprietà (DENATURAZIONE)

In qualche caso si può ritornare allo stato originario ripristinando le condizioni primitive (RINATURAZIONE) ma per lo più avvengono cambiamenti irreversibili che non lo permettono

In qualche caso si può ritornare allo stato originario ripristinando le condizioni primitive (RINATURAZIONE) ma per lo più avvengono cambiamenti irreversibili che non lo permettono

UN RIPIEGAMENTO NON CORRETTO DELLA PROTEINA PUO’ CONDURRE

A CONSEGUENZE FATALI

PrPC (proteina prionica cellulare) e PrPSc (proteina prionica scrapie)

Peptide B-Amiloide

RUOLO DEGLI CHAPERON MOLECOLARI

I VARI CHAPERON MOLECOLARI PRESENTANO UNA FORTE OMOLOGIA DI SEQUENZA:

ALL’ESTREMITA’ N-TERMINALE UN DOMINIO ATP-asico ED ALLA ESTREMITA’ C-TERMINALE

UN DOMINIO DI RICONOSCIMENTO DEL SUBSTRATO

TRAMITE IL DOMINIO DI RICONOSIMENTO LEGANO LE PROTEINEDA ASSISTERE, MENTRE TRAMITE IL DOMINIO ATPasico

RICONOSCONO E LEGANO L’ATP DA UTILIZZARE COME FONTE DI ENERGIA

PER COMPIRE LA LORO AZIONE DI RIPIEGAMENTO CORRETTO DELLE PROTEINE

GLI CHAPERONS AGISCONO IN DUE MODI:

LEGANDOSI A RESIDUI IDROFOBICI IMPEDISCONOCHE QUESTI POSSANO INTERAGIRE

CON ALTRI RESIDUI IDROFOBICIDI PROTEINE VICINE

IMPEDISCONO CHE I RESIDUI IDROFOBICI DELLA STESSAPROTEINASI AGGREGHINO PREMATURAMENTE

DANDO LUOGO AD UNA CONFORMAZIONE ERRATA

Molecular chaperones: hsp70

CHAPERONINA

COMPLESSI PROTEICI CILINDRICI CHE CHE CONTENGONO CAMERE ALL’INTERNO DELLE QUALI I POLIPEPTIDI POSSONO

RIPIEGARSI SENZ SUBIRE INTERFERENZE DA PARTE DIALTRE MACROMOLECOLE PRESENTI NEL CITOSOL

Controllo di qualità della sintesi di proteine

Ubiquitina

Catene di ubiquitine

• La ubiquitinizzazione prevede l’azione dell’enzima di attivazione, la ligasi il riconoscimento della proteina bersaglio e la formazione della catena di ubiquitine

Meccanismi per degradare le proteine

• Sia le ubiquitine ligasi che i segnali di degradazione devono essere attivati. Usano meccanismi in parte simili

Gli enzimiIn alcune reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della reazione è complessivamente maggiore di quello dei reagenti.

Perché avvenga la reazione è necessario fornire energia

Queste reazioni si chiamano endoergoniche

In alcune reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della reazione è complessivamente maggiore di quello dei reagenti.

Perché avvenga la reazione è necessario fornire energia

Queste reazioni si chiamano endoergoniche

In in altre reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della reazione è minore di quello dei reagenti.

Quando la reazione chimica avviene si ha liberazione di energia

Queste reazioni si chiamano esoergoniche

In in altre reazioni chimiche il contenuto energetico dei prodotti della reazione è minore di quello dei reagenti.

Quando la reazione chimica avviene si ha liberazione di energia

Queste reazioni si chiamano esoergoniche

Non è detto che perché una reazione è esoergonica essa debba obbligatoriamente avvenire

Non è detto che perché una reazione è esoergonica essa debba obbligatoriamente avvenire

Ad esempio la reazione che ha luogo durante la combustione di un fiammifero è fortemente esoergonica ma perché avvenga occorre inizialmente aggiungere energia per superare una barriera di attivazione

Ad esempio la reazione che ha luogo durante la combustione di un fiammifero è fortemente esoergonica ma perché avvenga occorre inizialmente aggiungere energia per superare una barriera di attivazione

Gli enzimi sono molecole proteiche che fungono da catalizzatori chimici. Essi sono dei catalizzatori biologici

Gli enzimi sono molecole proteiche che fungono da catalizzatori chimici. Essi sono dei catalizzatori biologici

Particolari sostanze chiamate catalizzatori sono ingrado di favorire le reazioni esoergoniche abbassando l’energia di attivazione e aumentando la velocità della reazione (pur senza partecipare)

Particolari sostanze chiamate catalizzatori sono ingrado di favorire le reazioni esoergoniche abbassando l’energia di attivazione e aumentando la velocità della reazione (pur senza partecipare)

Energia potenziale

Energia di attivazione

Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche abbassando l’energia di attivazione

Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche abbassando l’energia di attivazione

Grazie agli enzimi possono avvenire, a temperatura compatibili con la vita, reazioni che altrimenti avverrebbero solo ad alte temperature

Grazie agli enzimi possono avvenire, a temperatura compatibili con la vita, reazioni che altrimenti avverrebbero solo ad alte temperature

Grazie agli enzimi possono avvenire negli esseri viventi reazioni che altrimenti avverrebbero con grande emissione di energia

Grazie agli enzimi possono avvenire negli esseri viventi reazioni che altrimenti avverrebbero con grande emissione di energia

Esistono migliaia di diversi tipi di enzimi ognuno specifico per una data reazione chimica

Esistono migliaia di diversi tipi di enzimi ognuno specifico per una data reazione chimica

Il nome della maggior parte degli enzimi è caratterizzato dalla presenza del suffisso –asi (es. DNA-polimerasi)

Il nome della maggior parte degli enzimi è caratterizzato dalla presenza del suffisso –asi (es. DNA-polimerasi)

L’enzima agisce essenzialmente abbassando l’energia di attivazione della reazione

L’enzima agisce essenzialmente abbassando l’energia di attivazione della reazione

L’enzima agisce formando uno specifico complesso enzima substrato. Esso possiede un sito attivosito attivo nel quale solo quel particolare substrato si adatta

L’enzima agisce formando uno specifico complesso enzima substrato. Esso possiede un sito attivosito attivo nel quale solo quel particolare substrato si adatta

1) Orienta correttamente nello spazio le molecole che devono reagire

1) Orienta correttamente nello spazio le molecole che devono reagire

2) Forma molteplici legami deboli con il substrato modificando la configurazione elettrica e la forza dei legami nel substrato

2) Forma molteplici legami deboli con il substrato modificando la configurazione elettrica e la forza dei legami nel substrato

Reazioni esoergoniche

Reazioni esoergoniche

Gli enzimi permettono inoltre che avvengano reazioni endoergoniche mediante l’accoppiamento con reazioni che liberano energia

Gli enzimi permettono inoltre che avvengano reazioni endoergoniche mediante l’accoppiamento con reazioni che liberano energia

Nelle reazioni endoergoniche catalizzate da enzimi quasi sempre entra in gioco la molecola dell’ATP (adenosintrifosfato) una molecola con tre atomi di fosforo che all’occorrenza ne può perdere uno liberando energia

Nelle reazioni endoergoniche catalizzate da enzimi quasi sempre entra in gioco la molecola dell’ATP (adenosintrifosfato) una molecola con tre atomi di fosforo che all’occorrenza ne può perdere uno liberando energia

Reazioni endoergonicheReazioni endoergoniche

Nell’idrolisi da ATP (tre gruppi fosfato) ad ADP (due gruppi fosfato) si ha liberazione di una grande quantità di energia che era contenuta nel legame fosforico. Questa energia può essere usata per far decorrere una reazione endoergonica

Nell’idrolisi da ATP (tre gruppi fosfato) ad ADP (due gruppi fosfato) si ha liberazione di una grande quantità di energia che era contenuta nel legame fosforico. Questa energia può essere usata per far decorrere una reazione endoergonica

La stessa molecola può essere riusata moltissime volte. L’ADP infatti viene riconvertito in ATP utilizzando specifiche reazioni esoergoniche in particolare quelle connesse con la respirazione (nei mitocondri)

La stessa molecola può essere riusata moltissime volte. L’ADP infatti viene riconvertito in ATP utilizzando specifiche reazioni esoergoniche in particolare quelle connesse con la respirazione (nei mitocondri)

In altre parole l’enegia contenuta nei cibi che mangiamo viene utilizzata per produrre ATP (tramite la respirazione nei mitocondri). L’ATP in seguito viene utilizzato quale molecola di scambio per tutti i processi della cellula che richiedono energia.

In altre parole l’enegia contenuta nei cibi che mangiamo viene utilizzata per produrre ATP (tramite la respirazione nei mitocondri). L’ATP in seguito viene utilizzato quale molecola di scambio per tutti i processi della cellula che richiedono energia.

• Metabolismo -Reazioni chimiche endoergoniche• Movimento (es muscolo, movimento ciliare)• Pompe di membrana (per mantenere la concentrazione di soluti)• Mantenimento della temperatura corporea

Il metabolismo è organizzato in vie metabolicheIl metabolismo è organizzato in vie metaboliche

XEnzima A Enzima B Enzima C

ZEnzima E

Enzima D

Le vie metaboliche possono biforcarsiLe vie metaboliche possono biforcarsi

Se è presente solo l’enzima B allora si produrra la molecola X. Se è presente l’enzima D si produrrà la molecola Z. Se sono presenti entrambi ci saranno entrambi i prodotti finali in proporzione alla presenza dei diversi enzimi

Se è presente solo l’enzima B allora si produrra la molecola X. Se è presente l’enzima D si produrrà la molecola Z. Se sono presenti entrambi ci saranno entrambi i prodotti finali in proporzione alla presenza dei diversi enzimi

Vie metabolicheVie metaboliche

Cinetica enzimatica

La velocità di una reazione catalizzata da un enzima cresce con la concentrazione del substrato

La velocità di una reazione catalizzata da un enzima cresce con la concentrazione del substrato

Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che tanto più concentrato è il substrato tanto più spesso una molecola di questo entra nel sito attivo

Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che tanto più concentrato è il substrato tanto più spesso una molecola di questo entra nel sito attivo

All’inizio la velocità della reazione aumenta rapidamente con la concentrazione del

substrato.

All’inizio la velocità della reazione aumenta rapidamente con la concentrazione del

substrato.

In seguito continuando ad aggiungere substrato si ottiene solo un modesto incremento

In seguito continuando ad aggiungere substrato si ottiene solo un modesto incremento

Si arriva infine ad un punto un cui continuando ad aggiungere substrato non si ottiene più alcun aumento della velocità della reazione

Si arriva infine ad un punto un cui continuando ad aggiungere substrato non si ottiene più alcun aumento della velocità della reazione

Saturazione dell’enzima Saturazione dell’enzima

Concentrazione del substrato

v

eloc

ità

Regolazione della funzione enzimatica

L’azione degli enzimi è regolata da una gran quantità i fattori legati ai bisogni della cellula e alla disponibilità dei composti.

L’azione degli enzimi è regolata da una gran quantità i fattori legati ai bisogni della cellula e alla disponibilità dei composti.

Ci sono essenzialmente due modi per regolare l’attività di una determinata via metabolica

Ci sono essenzialmente due modi per regolare l’attività di una determinata via metabolica

1) Si può controllare la produzione di un dato enzima aumentandola o diminuendola tramite un’azione sui meccanismi di regolazione del gene

1) Si può controllare la produzione di un dato enzima aumentandola o diminuendola tramite un’azione sui meccanismi di regolazione del gene

1) Si può agire direttamente sulla funzionalità di un dato enzima agendo su uno dei suoi siti attivi

1) Si può agire direttamente sulla funzionalità di un dato enzima agendo su uno dei suoi siti attivi

REGOLAZIONE METABOLICA

ALTERAZIONE DELLA ATTIVITA’ ENZIMATICA PER MODIFICAZIONE COVALENTE

MODULAZIONE ALLOSTERICA DELLA ATTIVITA’ ENZIMATIVA

AGGIUNTA O RIMOZIONE GRUPPI FOSFATO

CON CONSEGUENTE MODIFICAZIONEDELLA FORMA DEL

SITO ATTIVO DELL’E

ENZIMI RESPONSABILIDEL TRASFERIMENTO DL GRUPPO FOSFATO

DA ALTRE PROTEINE SONOPROTEIN CHINASI (REGOLANO ATTVIVTA’

ORMONALE, DIVISIONE CELLULARE, ESPRESSIONE GENICA)

IL LEGAME DI UN COMPOSTOCON IL SITO ALLOSTERICO

DELL’ENZIMANE MODULA L’ATTIVITA’

XEnzima A Enzima B Enzima C

ZEnzima E

Enzima D

Si supponga ad esempio che ci sia un accumulo nella cellula della sostanza XSi supponga ad esempio che ci sia un accumulo nella cellula della sostanza X

La sostanza X (o un suo metabolita) possono agire: 1) inibendo l’attività dell’enzima B 2) inibendo la sintesi dell’enzima B 3) aumentando la sintesi dell’enzima D

La sostanza X (o un suo metabolita) possono agire: 1) inibendo l’attività dell’enzima B 2) inibendo la sintesi dell’enzima B 3) aumentando la sintesi dell’enzima D

DNA +

--DNA --

Inibizione della attività di un enzima

Come può fare la sostanza X ad inibire un enzima che si trova a monte del processo metabolico che la produce?

Come può fare la sostanza X ad inibire un enzima che si trova a monte del processo metabolico che la produce?

Ci sono essenzial-mente due modi:

1) Inibizione competitiva

2) Inibizione non competitiva

L’inibitore competitivo occupa lo stesso sito attivo che normalmente occupa il substrato in tal modo impedendo al substrato stesso di accedervi. Normalmente gli inibitori competitivi sono chimicamente affini al substrato (ma non sempre)

L’inibitore competitivo occupa lo stesso sito attivo che normalmente occupa il substrato in tal modo impedendo al substrato stesso di accedervi. Normalmente gli inibitori competitivi sono chimicamente affini al substrato (ma non sempre)

Enzima Inibitore

competitivo

Substrato

L’inibitore non competitivo occupa un altro sito, chiamato sito allostericoL’inibitore non competitivo occupa un altro sito, chiamato sito allosterico

Enzima

Inibitore non

competitivo

Substrato

Enzima

Substrato

Sito allosterico

Quando il competitore si attacca al sito allosterico l’enzima modifica la sua forma o la distribuzione delle sue cariche in modo tale che il substrato non si combina più con il sito attivo

Quando il competitore si attacca al sito allosterico l’enzima modifica la sua forma o la distribuzione delle sue cariche in modo tale che il substrato non si combina più con il sito attivo

Molte tossine e veleni sono inibitori enzimatici (sia competitivi che non)

Molte tossine e veleni sono inibitori enzimatici (sia competitivi che non)

Gli inibitori naturali (il cui scopo è regolare il metabolismo) si legano reversibilmente ai siti dell’enzima. Al contrario veleni e tossine spesso si legano irreversibilmente bloccando ogni ulteriore attività enzimatica

Gli inibitori naturali (il cui scopo è regolare il metabolismo) si legano reversibilmente ai siti dell’enzima. Al contrario veleni e tossine spesso si legano irreversibilmente bloccando ogni ulteriore attività enzimatica

Gli Acidi NucleiciGli acidi nucleici (DNA e RNA) sono macromolecole specializzate per l’immagazzinamento e la utilizzazione delle informazioni che servono al funzionamento della cellula e dell’intero organismo

Gli acidi nucleici (DNA e RNA) sono macromolecole specializzate per l’immagazzinamento e la utilizzazione delle informazioni che servono al funzionamento della cellula e dell’intero organismo

Entrambi sono polimeri formati a partire da monomeri che si chiamano nucleotidi

Entrambi sono polimeri formati a partire da monomeri che si chiamano nucleotidi

Acido desossirobonucleico o DNA È la molecola che contiene le istruzioni per il funzionamento della cellula ( i geni)

Viene trasmesso alle cellule figlie e pertanto costituisce la base chimica del meccanismo dell’eredità

Acido ribonucleico o RNA Trascrive le informazioni dal DNA

Traduce le informazioni del DNA in proteine

Ciascun nucleotide è formato da tre molecoleCiascun nucleotide è formato da tre molecole

Fosfato

Zucchero

Base azotat

a

Lo zucchero (un pentoso) è:

Il Desossiribosio nel DNA

Il Ribosio nell’ RNA

I diversi nucleotidi sono legati tra loro attraverso il gruppo fosfato

I diversi nucleotidi sono legati tra loro attraverso il gruppo fosfato

Gruppo fosfato Zucchero pentoso Base azotata

L’RNA è costituito da un singolo filamento

L’RNA è costituito da un singolo filamento

I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per la base

I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per la base

Ci sono 4 differenti tipi di basi:

•Adenina (Purina ad anello doppio)•Citosina (Pirimidina ad anello singolo)•Guanina (Purina)•Uracile (Pirimidina)

Ci sono 4 differenti tipi di basi:

•Adenina (Purina ad anello doppio)•Citosina (Pirimidina ad anello singolo)•Guanina (Purina)•Uracile (Pirimidina)

L’informazione contenuta negli acidi nucleici è codificata nella sequenza di basi che compongono il filamento (un alfabeto di 4 lettere)

L’informazione contenuta negli acidi nucleici è codificata nella sequenza di basi che compongono il filamento (un alfabeto di 4 lettere)

RNA

Il DNA è simile per struttura all’ RNA ma:

1) Al posto dell’uracile c’è la timina

2) Il DNA è costituito da un doppio filamento

Il DNA è simile per struttura all’ RNA ma:

1) Al posto dell’uracile c’è la timina

2) Il DNA è costituito da un doppio filamento

Tra le basi dei due filamenti si formano legami idrogeno che li tengono uniti

Tra le basi dei due filamenti si formano legami idrogeno che li tengono uniti

Nel DNA le basi appartenenti ai due filamenti sono appaiate in modo caratteristico ( timina con adenina, guanina con citosina)

Nel DNA le basi appartenenti ai due filamenti sono appaiate in modo caratteristico ( timina con adenina, guanina con citosina)

DNA

I due filamenti hanno polarità oppostaI due filamenti hanno polarità opposta

Per evidenziare la polarità di un filamento si distinguono i due estremi come 3’ e 5’

Per evidenziare la polarità di un filamento si distinguono i due estremi come 3’ e 5’

Questo è legato al fatto che il gruppo fosfato si lega in posizione 5’ allo zucchero che lo precede e in posizione 3’ a quello che lo segue (legame fosfodiesterico)

Questo è legato al fatto che il gruppo fosfato si lega in posizione 5’ allo zucchero che lo precede e in posizione 3’ a quello che lo segue (legame fosfodiesterico)

La molecola del DNA assume una struttura tipica a doppia elica

La molecola del DNA assume una struttura tipica a doppia elica

P

P

3

5

L’estremità dove è situato il fosfato è l’estremità 5’