Molecole e Macromolecole Biologiche

7/30/2019 Molecole e Macromolecole Biologiche

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LOGICA MOLECOLARE DELLA VITA

Tutti gli organismi viventi hanno gli stessi tipi di subunità monomeriche che vanno a costituire le macromolecole biologiche



LE BIOMOLECOLE: COMPOSIZIONE CHIMICA

IN ARANCIO I COMPONENTI STRUTTURALI DEGLI ORGANISMI: DEVONO ESSERE

ASSUNTI IN QUANTITA’ NOTEVOLI

IN GIALLO ELEMENTI LA CUI NECESSITA’ E’ LIMITATA (SONO PRESENTI IN BASSISSIMEQUANTITA’ MA HANNO RUOLI ESSENZIALI)

SOLO 30 DEI 90 ELEMENTI NATURALI SONO ESSENZIALI PER GLI ORGANISMI VIVENTI

IDROGENO, OSSIGENO AZOTO E CARBONIO RAPPRESENTANO IL 99% DELLA MASSATOTALE DELLA MAGGIOR PARTE DELLE CELLULE



Il carbonio può formare

legami singoli o doppi conatomi di ossigeno o di azoto.

Si possono formare catenecarbonio-carbonio moltostabili.

Due atomi di C possonocondividere due o tre coppiedi elettroni, formando doppio tripli legami

Un C può

legare altri quattroC

Scheletri di atomi di C cuipossono essere legatigruppi funzionali

LA CHIMICA DEGLI ORGANISMI VIVENTI E’ ORGANIZZATAINTORNO AL CARBONIO, CHE RAPPRESENTA OLTRE LAMETA’ DEL PESO SECCO DELLE CELLULE



I quattro legami singoli che un C può generare sonodisposti secondo una struttura a tetraedro



La rotazione intorno ad un legame C-C può essereinfluenzata dal tipo di gruppo funzionale legato



Un doppio legame C=C è più corto e rigido e tutti gliatomi giacciono sullo stesso piano



I gruppi funzionali determinano le proprietà chimichedelle biomolecole



Molte molecole sono polifunzionali, cioè contengonogruppi funzionali diversi, con proprieta’ diverse

Es. istidina:



REATTIVITA’ CHIMICA

LA DISTRIBUZIONE DEI GRUPPI FUNZIONALI ALTERA LADISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI E LA GEOMETRIA DIATOMI VICINI, MODIFICANDO LA REATTIVITA’DELL’INTERA MOLECOLA

E’ POSSIBILE ANALIZZARE E PREDIRE ILCOMPORTAMENTO CHIMICO E LE REAZIONI DELLEBIOMOLECOLE IN BASE AI GRUPPI FUNZIONALI CHEPOSSIEDONO

LA ROTTURA E LA FORMAZIONE DI LEGAMI CHIMICIDURANTE IL METABOLISMO CELLULARE RILASCIAENERGIA, UNA PARTE IN FORMA DI CALORE



STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DELLEBIOMOLECOLE:

SOLO SPECIFICHE FORME TRIDIMENSIONALI DI UNABIOMOLECOLA, TRA LE TANTE POSSIBILI, SONOQUELLE BIOLOGICAMENTE ATTIVE

LA STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DI UNABIOMOLECOLA E’ DETERMINANTE PER L’INTERAZIONE

BIOSPECIFICA



TRE DIVERSI MODI DI RAPPRESENTARE LA STRUTTURATRIDIMENSIONALE DI UNA MOLECOLA



ASIMMETRIA: QUANDO AL C SONO LEGATI QUATTRODIVERSI GRUPPI



ESISTE DI CONSEGUENZA UN ENANTIOMERO

I DUE ENANTIOMERI SONO STEREOISOMERI

CONFIGURAZIONALI



La molecola b è sovrapponibile alla immaginespeculare della molecola a

CHIRALITA’



ISOMERIA CIS - TRANS



ISOMERIA DI POSIZIONE E DI CATENANEGLI ALCHENI



STEREOISOMERIACONFIGURAZIONALE CIS-TRANS



ISOMERI CIS – TRANSPOSSONO ESSERE ISOLATI E PURIFICATI

LE INTERAZIONI TRA LE BIOMOLECOLE



LE INTERAZIONI TRA LE BIOMOLECOLESONO STEREOSPECIFICHE

STEREOSPECIFICITA’: CAPACITA’ DI DISTINGUEREDUE ISOMERI



Odore dellamenta

Odore delcomino

Stereoisomeri che vengono riconosciuti da recettorisensoriali dell’olfatto



Aspartame(sapore dolce) (sapore amaro)

Stereoisomeri che vengono riconosciuti da recettorisensoriali del gusto

L f di l di d



La forza di legame dipende: Dalla elettronegatività relativa degli atomi impegnati nellegame

Dalla distanza degli elettroni di legame da ogni nucleo Dalla carica nucleare



LA FORZA DI LEGAME VIENE ESPRESSA COME ENERGIA DI LEGAME.

SI MISURA IN JOULE (J)

1 CALORIA = 4,18 J



NELLA CELLULA AVVENGONO CINQUE TIPI DITRASFORMAZIONI CHIMICHE

TRASFERIMENTO DI GRUPPI FUNZIONALI

OSSIDAZIONI E RIDUZIONI

REAZIONI CHE RIORGANIZZANO LA DISPOSIZIONEDEI LEGAMI INTORNO AD UNO O PIU’ ATOMI DI C

REAZIONI CHE ROMPONO O FORMANO LEGAMI C-C

REAZIONI DI CONDENSAZIONE, CON ELIMINAZIONE DIUNA MOLECOLA DI ACQUA

IN MOLTE REAZIONI BIOCHIMICHE SONO COINVOLTE INTERAZIONI



IN MOLTE REAZIONI BIOCHIMICHE SONO COINVOLTE INTERAZIONITRA NUCLEOFILI (GRUPPI FUNZIONALI RICCHI DI ELETTRONI ED INGRADO DI DONARLI) ED ELETTROFILI (GRUPPI FUNZIONALI CARENTIDI ELETTRONI E CHE POSSONO CATTURARLE)



LE MACROMOLECOLEBIOLOGICHE



Nelle proteine, negli acidi nucleici e neipolisaccaridi i monomeri sono legati tra loro

tramite legami covalenti.

Le strutture tridimensionali ed i complessi

sopramolecolari sono tenuti insieme dainterazioni non covalenti, deboli seconsiderate singolarmente

Le interazioni deboli sono fondamentaliper il funzionamento delle macromolecolebiologiche

I quattro tipi di interazioni deboli tra



4Interazioni di van der

Waals

4-8Interazioniidrofobiche

-21-NH3+ NH3+Interazioni ioniche

repulsive

42NH3+ : : :COO-Interazioni ionicheattrattive

8-21C=O::::H-NLegame idrogeno tra

legami peptidici

8-21C=O::::H-O-Legame idrogeno tragruppi neutri

Interazioni deboli

Energia distabilizzazione

KJ/mole

I quattro tipi di interazioni deboli trabiomolecole

Legame ad



Legame adidrogeno



Legami idrogeno di importanza biologica



L’attrazione tra le due cariche elettriche parziali è massima quando i tre atomi coinvolti sono allineati

Interazioni di van der Waals



RAGGIO DI VAN DER WAALS

Quando due atomi non carichi vengono a trovarsi moltovicini le loro nuvole elettroniche si influenzano a vicenda.Le variazioni casuali della posizione degli elettroni intornoal nucleo possono generare dipoli elettrici transitori che

inducono dipoli elettrici transitori ed opposti nell’atomovicino. I due dipoli si attraggono portando i due atomiancora più vicini. Man mano che i nuclei si avvicinano ledue nubi elettroniche cominciano a respingersi fino a chesi arriverà ad un punto in cui attrazione e repulsione è esattamente bilanciata

LE INTERAZIONI NON COVALENTI TRA LE



LE INTERAZIONI NON COVALENTI TRA LEBIOMOLECOLE SONO INFLUENZATE DALLE PROPRIETA’DEL SOLVENTE

PROPRIETA’ SOLVENTI DELL’ACQUA



Nel ghiaccio ogni molecola di acqua forma un massimo di quattro legamiidrogeno, generando un reticolo cristallino regolare. Allo stato liquido eda temperatura ambiente, ogni molecola di acqua forma in media 3,4legami idrogeno con altre molecole di acqua.La struttura del ghiaccio è rigida e regolare.Allo stato liquido le molecole sono in continuo movimento e quindi ilegami idrogeno si formano e si rompono continuamente

L’acqua forma legami idrogeno con i soluti



L acqua forma legami idrogeno con i soluti

L’acqua interagisce elettrostaticamente con i soluti carichi

Composti idrofili

Composti idrofobici



L’acqua scioglie i sali come il Cloruro di sodioidratando e stabilizzando gli ioni Na+ e Cl- . Le cariche

ioniche vengono parzialmente annullate ed il reticolocristallino si indebolisce.

In termini di entropia, aumenta il disordine (entropia) e

si ha una variazione di energia libera favorevole (Δ

G =ΔH -TΔS

I composti non polari determinano variazioni energetiche



non favorevoli nella struttura dell’acqua

Gli acidi grassi a lunga catena hanno catene alchiliche idrofobiche chevengono circondate da uno strato altamente ordinato di acqua.



Raggruppandosi in micelle espongono una minore superfiche per cui lo

strato ordinato d’acqua diminuisce



LE INTERAZIONI DEBOLI SONO FONDAMENTALI



LE INTERAZIONI DEBOLI SONO FONDAMENTALIPER LA STRUTTURA E LA FUNZIONE DELLEMACROMOLECOLE

Il DNA e le proteine contengono tanti siti potenzialiper la formazione di legami idrogeno, van derWaals, idrofobici, (ionici)

L’effetto cumulativo di tutti questi legami debolidiventa enorme

La struttura più stabile è quella in cui il maggiornumero di possibilità di formazione di legamideboli è soddisfatta

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