Sabina Passamonti, Dr.med. PhD Insegnamento di Biochimica- Docente della prima parte dal 4 marzo al 25 marzo Contatti Sabina Passamonti, Dr.med. PhD Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Scienze della Vita Responsabile del Gruppo di ricerca Nutrizione Molecolare  web: https://dsv.units.it/it/ricerca/ambiti/biomedicina?q=it/node/18206 via L. Giorgieri 1, 34127 Trieste (Italy) Edificio C11, 2° piano, stanza 227 e-mail: spassamonti@units.it scrivere in orario 8-18, lun-ven, tranne in gravi casi, ovviamente Iniziare con: Gentile prof.ssa ... tel +390405588747 cell +393665898629 sempre annunciarsi con un sms skype sabina.passamonti 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Insegnamento di Biochimica Parte 1 – prof.ssa Sabina Passamonti 3 crediti, 30 ore (struttura e catalisi) Parte 2 – prof. Gabriele Grassi 5 crediti, 50 ore (bioenergetica e metabolismo) Libro di testo: vedi syllabus 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

LIBRO DI TESTO PER LE LEZIONI David L. Nelson, Michael M. Cox Introduzione alla biochimica di Lehninger Sesta edizione

Programma della prima parte 3 crediti – 30 ore Struttura e funzione delle classi più importanti dei costituenti cellulari 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

I costituenti cellulari struttura e funzione 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Capitolo 2 L'acqua

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA I legami idrogeno L’energia di dissociazione (necessaria a spezzare il legame) è 23 kJ/mol 1/20 rispetto al legame O-H dell’acqua ( 470 kJ/mol) 1/15 rispetto al legame C-C (348 kJ/mol) La vita media di ogni legame è 1-20 ps (1ps = 10-12 s) Un nuovo legame si forma in 0,1 ps Si forma un RETICOLO di molecole in continuo rimodellamento 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Ogni molecola d’acqua forma più legami idrogeno Ogni molecola d’acqua può formare 4 legami H, uno per ciascun angolo del tetraedro A temperatura ambiente, alla pressione atmosferica, l’acqua è allo stato liquido e forma in media 3,4 legami idrogeno A t=0°C, l’acqua è allo stato solido e forma 4 legami idrogeno stabili 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

I legami idrogeno e il calore Quando il giaccio fonde o l’acqua evapora, il sistema assorbe calore H2O (solida)  H2O (liquida) ΔH = + 5,9 kJ /mol H2O (liquida)  H2O (gassosa) ΔH = + 44,0 kJ /mol 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

L’acqua forma legami idrogeno con molecole polari La presenza nelle molecole di atomi elettronegativi legati ad atomi di idrogeno determina la possibilità di formare legami idrogeno Perché? Perché gli atomi elettronegativi causano la formazione di dipoli di legame Quando i legami idrogeno sono sullo stesso asse del legame covalente tra un atomo elettronegativo e l’idrogeno, il legame idrogeno ha la massima forza (energia di dissociazione) 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA L’acqua forma legami idrogeno con le molecole polari o anfipatiche , ma non con quelle apolari 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

L’acqua rompe le interazioni elettrostatiche La forza delle interazioni elettrostatiche (ioniche) dipende dall’entità delle cariche (Q), dalla distanza tra gruppi carichi (r)e dalla costante dielettrica (ε, adimensionale) del solvente: F = Q1Q2 / εr2 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

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785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA I sali nell’acqua I sali, per es. NaCl, si sciolgono in acqua e si dissociano, in Na+ e Cl- Ciò avviene perché le interazioni elettrostatiche tra Na+ e Cl- sono sostituite da interazioni elettrostatiche tra Na+ e l’atomo di O dell’acqua e Cl- e l’atomo di H dell’acqua. Cosa accade? Nel nuovo sistema di interazioni aumenta l’entropia (S, disordine): ΔG = ΔH – TΔS Ciò è l’effetto della costante dielettrica 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA I gas biologici I gas biologici appartengono a due categorie Non polari: Anindride carbonica CO2 Ossigeno O2 Azoto N2 Polari: Ammoniaca NH3 Monossido d’azoto NO (in inglese nitric oxide) Acido sulfidrico (nome IUPAC solfuro di idrogeno) H2S 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA I gas nell’acqua I gas non polari non si sciolgono in acqua perché non possono fare legami H Perché? in O2 e N2 gli elettroni di legame sono equamente distribuiti, e quindi non formano dei dipoli; in CO2 gli elettroni di legame sono polarizzati, ma i dipoli sono sullo stesso asse e con direzioni opposte, per cui annullano 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

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785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA I gas nell’acqua I gas polari si sciolgono in acqua perché possono fare legami H Perché? in H2S, NH3, NO e gli elettroni di legame sono polarizzati, e quindi formano dei dipoli 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA Ammoniaca An example of trigonal pyramid molecular geometry that results from tetrahedral electron pair geometry is NH3. The nitrogen has 5 valence electrons and thus needs 3 more electrons from 3 hydrogen atoms to complete its octet. This then leaves a lone electron pair that is not bonded to any other atom. The three hydrogen atoms and the lone electron pair are as far apart as possible at nearly 109obond angle. This is tetrahedral electron pair geometry. The lone electron pairs exerts a little extra repulsion on the three bonding hydrogen atoms to create a slight compression to a 107obond angle. The molecule is trigonal pyramid molecular geometry because the lone electron pair, although still exerting its influence, is invisible when looking at molecular geometry. The molecule is three dimensional as opposed to the boron hydride case which was a flat trigonal planar molecular geometry because it did not have a lone electron pair. Source https://slideplayer.com/slide/4216334/ 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Le molecole apolari nell’acqua Le molecole apolari non si sciolgono in acqua perché non possono fare legami H Perché? Perché gli atomi che le compongono non hanno differenze di elettronegatività e quindi non formano dipoli Le molecole apolari non possono perciò inserirsi nel reticolo delle molecole dell’acqua. Le molecole d’acqua si dispongono intorno alle molecole apolari, forzando una “nuova” (diversa) struttura reticolare Questo causa una diminuzione dell’entropia (S), e il risultato netto di un aumento del ΔG ΔG = ΔH – TΔS 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Le molecole anfipatiche nell’acqua Regione polare  si formano legami idrogeno con l’acqua; la parte polare può essere completamente immersa nel reticolo dell’acqua Regione apolare  si formano interazioni idrofobiche con le regioni apolari di altre molecole; le parti apolari aggregano (effetto idrofobico) le interazioni idrofobiche non sono forze tra atomi delle molecole, ma il risultato termodinamicamente favorevole di una riduzione al minimo possibile delle interazioni delle molecole d’acqua con le regioni apolari 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Le forze di van der Waals Due atomi elettricamente neutri possono avvicinarsi fino al punto in cui le loro nuvole elettroniche entrano in contatto. Il movimento casuale di elettroni può creare un debole dipolo transitorio i due nuclei possono avvicinarsi ancora di più, se i loro due dipoli sono di segno opposto Si crea il contatto van del Waals Ogni atomo ha un suo caratteristico raggio di van der Waals 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

I quattro legami deboli 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

I legami deboli si sommano Le molecole possono interagire tra loro attraverso una varietà di legami deboli Le interazioni si sommano e possono più forti di un legame covalente I legami deboli sono intermittenti Le interazioni molecolari possono cambiare in ogni istante, in funzione di variazioni delle condizioni chimiche (altri soluti, pH) e fisiche (temperatura, pressione) 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Le proprietà colligative dell’acqua Tensione di vapore Punto di ebollizione (transizione da liquido a gas) Punto di fusione (transizione da solido a liquido) Pressione osmotica dipendono dalla [H2O] sono modificate dalla concentrazione dei soluti (che causano abbassamento della [H2O] e non dalla loro natura chimica 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA Osmosi Dati due compartimenti, separati da una membrana semi-permeabile, e aventi concentrazioni di soluti diverse, si verifica il moto netto dell’acqua dal compartimento dove [H2O] è più alta a quello dove essa è più bassa. La [H2O] si abbassa quando nella soluzione sono presenti ioni o molecole 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Pressione osmotica La pressione idrostatica che impedisce il moto netto dell’acqua da un compartimento all’altro La pressione osmotica dipende dalla concentrazione del soluto 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Pressione osmotica La pressione idrostatica che impedisce il moto netto dell’acqua da un compartimento all’altro Quando ci sono più soluti, ognuno contribuisce alla pressione osmotica in modo indipendente dagli altri soluti Π = RT (i1M1 + i2M2 + i3M3 + … inMn) Π dipende dalla concentrazione e non dalla massa molecolare Un monomero ha lo stesso effetto osmotico di un polimero monosaccaride = polisaccaride amminoacido = proteina nucleotide = acido nucleico 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Le membrane biologiche sono semipermeabili https://slideplayer.com/slide/11757668/ 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA Source https://www.quora.com/What-is-a-selectively-permeable-membrane 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Pressione osmotica cellulare La membrana cellulare separa il citosol dal mezzo extracellulare Il mezzo extracellulare è isotonico, perché non determina moto netto dell’acqua In certe condizioni, il mezzo extracellulare può diventare: ipertonico e causare efflusso cellulare di acqua ipotonico e causare influsso cellulare di acqua 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Effetti osmotici nei globuli rossi source https://www.sciencephoto.com/media/648058/view/osmosis-in-red-blood-cells-illustration 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Effetti osmotici nei globuli rossi source http://stevegallik.org/cellbiologyolm_Ex04_P02.html 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Eritrolisi causata da soluzioni ipotoniche source http://stevegallik.org/cellbiologyolm_Ex04_P02.html 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA Source https://docplayer.it/11126908-Rene-e-bilancio-idrico-salino.html LIC = liquido intracellulare LEC = liquido extracellulare 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

Ionizzazione dell’acqua L’acqua pura ha una piccola tendenza a ionizzarsi Il protone non è libero, ma si lega all’acqua a formare lo ione idronio 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA

785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA Fine A domani Acidi e basi pH tamponi biologici applicazioni in biologia e medicina 04/03/2019 - S.Passamonti 785ME - INSEGNAMENTO DI BIOCHIMICA