Programma. : Parte prima: le biomolecole AA. 2013 / 2014 (Prof. Adolfo Amici) Modulo Didattico: Biochimica Corso integrato di: Scienze Biomediche (Anno I - Semestre I) Programma. : Parte prima: le biomolecole I carboidrati (classificazione, proprietà chimico-fisiche di monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi; caratteristiche del legame glicosidico ). Gli aminoacidi e le proteine (caratteristiche strutturali degli aminoacidi, il punto isoelettrico, gli aminoacidi essenziali, funzioni e struttura tridimensionale delle proteine). I lipidi e le membrane biologiche (lipidi di riserva, lipidi strutturali e architettura delle membrane biologiche). Vitamine idrosolubili e vitamine liposolubili. La cinetica enzimatica. Parte seconda: il metabolismo La glicolisi e il ciclo dell’acido citrico. La fosforilazione ossidativa. La degradazione degli aminoacidi e il ciclo dell’urea. La beta-ossidazione degli acidi grassi. testo consigliato: D.L.Nelson, M.M. Cox Introduzione alla biochimica , (Zanichelli)

Gli elementi chimici presenti al giorno d’oggi Part 1 Opener

Che cosa distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato? Complessità chimica ed organizzativa Estrazione dell’energia dall’ambiente Capacità di autoreplicarsi

Le macromolecole sono costituite da pochi composti semplici

Accoppiamento energetico Fonte di energia

Vie metaboliche: cataboliche e anaboliche ATP

Classificazione degli organismi in base alla fonte energetica Evoluzione della vita sulla terra

CELLULE PROCARIOTI EUCARIOTI

Le biomolecole: I legami chimici coinvolti I gruppi funzionali La struttura tridimensionale La stereochimica La reattività in funzione della struttura

Atomi - struttura particella simbolo carica (coulomb, relativa) Massa Protone p+ 1,6022 10-19 +1 1,67252 10-27 kg Neutrone n0 0 0 1,67495 10-27 kg Elettrone e- 1,6022 10-19 -1 9,10953 10-31 kg Atomo H 0,0000 0 1,6752 10-27 kg “ U 0,0000 0 3,94987 10-25 kg raggio di un atomo circa 10-10m raggio di una particella circa 10-14m

Esperimento di Rutherford 13.214

n = 1 n = 2 n = 3 l = 0 m = 0 l = 1 m = -1,0,1 l = 2 m = -2,-1,0,1,2 L’atomo quantistico : Forme degli orbitali in funzione dei numeri quantici degli elettroni, n, principale, 0, 1, 2, 3, … l, secondario, 0 ÷ n-1 m, magnetico, -l ÷ 0 ÷ +l spin, ±½ l = 0 m = 0 l = 1 m = -1,0,1 l = 2 m = -2,-1,0,1,2

Spettro della radiazione elettromagnetica

Rifrazione della luce bianca

Principali righe di emissione dell’idrogeno

Livelli energetici e righe di emissione dell’atomo di idrogeno

Il legame covalente e la formazione di molecole

Ibridazione sp3 e la configurazione tetraedrica delle molecole carbonio metano 109° ossigeno acqua azoto ammoniaca 107° 105°

Ibridazione sp2 e la configurazione planare BF3 120°

Legame chimico ionico + -

Il legame metallico Orbitali molecolari che coinvolgono tutto il volume del cristallo metallico

Forze interattive tra le molecole Forze di van der Waals Dipoli istantanei Non direzionali 2-20kJ mole-1

Forze interattive tra le molecole Polarizzazione dei legami covalenti L’elettronegatività Cl

L’acqua e il legame idrogeno

Temperature di fusione di composti e tavola periodica

Teoria cinetica della temperatura Moto Browniano T1 La pressione è la conseguenza degli urti delle molecole sulle pareti del recipiente, maggiore è il numero o maggiore è la forza degli urti e maggiore è la pressione Numero di molecole T2 1 Ec = mV2 2 Velocità Ad ogni temperatura l’energia cinetica media delle molecole è la stessa per ogni tipo di gas e per qualsiasi pressione

Legge generale dei gas: legge di Avogadro Combinando gli esperimenti precedenti si ottiene la formula generica: P V = kn T Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un uguale numero di molecole P V = n R T H2 + Cl2 = 2 HCl Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un uguale numero di moli

Tensione di vapore delle soluzioni Psol = Pa · Xa + Pb · Xb Se il soluto non è volatile P sol =Pa · Xa DP = Pa - Psol DP Xb = ---- Pa

Potere schermante dell’acqua verso le cariche, solubilizzazione dei sali, solvatazione degli ioni.

Osmosi Pressione Osmotica P P = c R T P V = n R T P = c R T Soluzione salina fisiologica NaCl 0,15 M P = c R T = 2 · 0,15 · 0.0821 · (273 + 37) = 7,64 Soluzione di saccarosio H2O Membrana semipermeabile La pressione osmotica dipende dal numero di particelle in soluzione quindi bisogna tenere conto della dissociazione dei composti

L’acqua e la solubilità delle sostanze

Solidi Strutture cristalline e amorfe . Esempi di strutture cristalline comuni Molecola di zolfo Esagonale Cubica Cubica a corpo centrato Grafite Na Cl Diamante Quarzo (biossido di silicio, SiO2) Silicio Ossigeno Cloruro di Sodio, NaCl

es. l’acido cloridrico concentrato HCl al 36% CONCENTRAZIONE Percentuale in peso, % es. l’acido cloridrico concentrato HCl al 36% la soluzione contiene 36g di HCl per ogni 100g di soluzione. Percentuale in volume, %v/v es. l’alcol etilico al 95% la soluzione contiene 950ml di1 alcol per ogni litro di soluzione. Molarità, M (numero di moli di soluto per litro di soluzione) es. 2 M cloruro di sodio, NaCl 1 mole = 58,5g 2 · 58,5 g =117 g in un volume finale di un litro d’acqua Molalità, m (numero di moli di soluto per 1000 g di solvente) es. 2 m cloruro di sodio, NaCl 1 mole = 58,5g 2 · 58,5 g =117 g da aggiungere a 1000 g d’acqua

Solubilità (g soluto/100 g solvente) La solubilità di un certo soluto in un certo solvente dipende dalla natura sia del soluto sia del solvente e di solito, ma non sempre, aumenta all'aumentare della temperatura. CaCl2 NaI KNO3 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura (°C) Solubilità (g soluto/100 g solvente) KCl NaCl Ce2(SO4)3

Teoria delle collisioni H2O + CO2 H2CO3 O H C O H C T1 Numero di molecole 1 Ec = mV2 2 Velocità A + B C v = k[A][B] k = costante di velocità

Equilibrio chimico aA + bB cC + dD vd = kd [A]a [B]b vi = ki [C]c [D]d All’equilibrio si ha: vd = vi kd [A]a [B]b = ki [C]c [D]d

Legge di azione di massa Principio di Le Chatelier: Quando l’equilibrio di un sistema viene variato, il sistema reagisce in modo da annullare la variazione e ristabilire l’equilibrio aA + bB cC + dD

Legami chimici più comuni Orientamento degli orbitali atomici Ibridazione sp3 Ibridazione sp2

Gruppi chimici comuni nelle molecole organiche

Struttura tridimensionale delle molecole Stereochimica delle molecole organiche

I carboidrati Formula empirica generale : n(CH2O) Monosaccaridi (es. glucosio) Oligosaccaridi disaccaridi (es. saccarosio) Polisaccaridi (es. cellulosa, glicogeno amido) Zuccheri

Vi sono due famiglie di monosaccaridi aldotriosio chetotriosio

I monosaccaridi hanno centri asimmetrici Isomeri ottici D-Gliceraldeide L-Gliceraldeide

Proprietà ottiche degli stereoisomeri Attività ottica: proprietà di ruotare il piano della luce polarizzata Sorgente di luce Filtro polarizzatore La luce non polarizzata oscilla in tutti i piani La luce polarizzata oscilla in un solo piano Tubo porta campione contente la sostanza otticamente attiva Angolo di rotazione Luce polarizzata ruotata Analizzatore Potere ottico rotatorio specifico:

Famiglia dei D-aldosi

Famiglia dei D-aldosi

Famiglia dei D-cheosi

I monosaccaridi assumono forme cicliche Il glucosio cristallizzato in acqua, a-D-glucosio, ha proprietà ottiche diverse da quelle della forma che si ottiene cristallizzandolo nel solvente piridina, b-D-glucosio. Da un punto di vista della composizione chimica sono invece identici. Esso ha assunto due diverse forme cicliche dette piranosi

Il gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni può reagire con un alcol

Se la funzione alcolica è nella stessa molecola si ha la reazione di ciclizazione

Prospettiva di Haworth Formule conformazionali e = equatoriale a = assiale

I monosaccaridi sono riducenti Reazione di Fehling

Estremità non riducente Disaccaridi Legame O-glicosidico Estremità non riducente Estremità riducente

Amilopectina e Glicogeno Polisaccaridi amilosio Amilopectina e Glicogeno

Altri polisaccaridi importanti sono: La cellulosa, nelle pareti cellulari delle piante Glicosamminoglicani, nella matrice extracellulare insieme a proteine fibrose come collagene, elastina, fibronettina e laminina Proteoglicani Glicoproteine

Peptidoglicano