Chimica organica X Lezione.

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1 Chimica organica X Lezione

2 Il carbonio è l’elemento più abbondante nelle molecole biologiche
Le molecole biologiche contenenti atomi di carbonio sono chiamate biomolecole. Le biomolecole fanno parte di un gruppo molto ampio di composti del carbonio chiamati composti organici. 1 2 2

3 I gruppi funzionali determinano le proprietà chimiche e fisiche dei composti del carbonio
Quando sulle catene carboniose si inseriscono atomi o gruppi di atomi diversi dal carbonio, vengono chiamati gruppi funzionali. 2

4 Cosa sono le biomolecole
Le molecole biologiche, o biomolecole, sono composti del carbonio. Sono molecole molto grandi, chiamate macromolecole. Molte sono polimeri, cioè monomeri uniti da legami covalenti. 3

5 Le macromolecole sono costituite da moltissime piccole molecole unite in catene
Le macromolecole sono polimeri formati dall’unione di molte molecole più piccole (monomeri) unite mediante legami covalenti. Policondensazione 4

6 Quali sono le biomolecole
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7 Sono sostanze indispensabili alla vita
Le Proteine Sono sostanze indispensabili alla vita Sono i costituenti principali delle cellule e dei tessuti dell'organismo vivente 6

8 Le Proteine Sono delle grandi molecole, formate dall’unione di molecole più piccole, gli aminoacidi, uniti tra loro attraverso legami peptidici. Una proteina può essere costituita da poche decine o da centinaia di aminoacidi. 7

9 Gli amminoacidi Si possono immaginare gli amminoacidi come i mattoni per la costruzione delle proteine ed i legami peptidici come il collante che li tiene uniti tra loro 8

10 Gli aminoacidi La formula di struttura di un aminoacido è:
-NH2 è il gruppo amminico, mentre -COOH è il gruppo acido. È a loro che gli aminoacidi devono il loro nome. R- è il radicale, la parte variabile, vale a dire un insieme di atomi che formano una catena non troppo lunga. Ogni aminoacido ha un radicale differente che ne cambia le proprietà e lo rende diverso dagli altri. 9

11 Gli amminoacidi Fingiamo che gli aminoacidi siano degli ometti:
Il carbonio centrale sarà il corpo, i gruppi amminico e acido le braccia con le mani e l’idrogeno le gambe. Il radicale sono i capelli: … Gruppo acido Gruppo acido Radicale Idrogeno Gruppo amminico Gruppo amminico Radicale Carbonio Carbonio Idrogeno 10

12 Gli aminoacidi … c’è l’aminoacido che li ha lisci, quello che li ha ricci, uno li ha di un colore, un altro di un altro… come fossero dei gemelli, che si distinguono solo per le loro capigliature. Così tutti gli aminoacidi si differenziano tra loro solo per il radicale Radicali 11

13 Tutte le proteine sono polimeri di ca
Tutte le proteine sono polimeri di ca tipi diversi di a-amminoacidi e differiscono tra loro per il numero, la composizione e la sequenza degli aminoacidi, sono definiti amminoacidi proteogenici.  Sono tutti a (la funzione -NH2 è legata al C adiacente alla funzione carbossilica) Sono tutti chirali (eccetto la glicina) Presentano stereochimica L (il C chirale ha la stessa configurazione del C chirale della L-gliceraldeide) Il C chirale ha una configurazione assoluta S (ad eccezione della cisteina, che è R). 12

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15 Amminoacidi 14

16 Gli aminoacidi possono essere classificati in vari modi.
Sulla base della natura del gruppo –R possiamo suddividerli in:  gruppi R alifatici non polari: glicina o glicocolla, alanina, prolina, ramificati (valina, leucina, isoleucina);  gruppi R aromatici: fenilalanina, tirosina, triptofano;  gruppi R polari non carichi: serina, treonina, solforati (cisteina, metionina), asparagina, glutammina;  gruppi R carichi positivamente (con + di un gruppo amminico): lisina, arginina, istidina;  gruppi R carichi negativamente (con due gruppi carbossilici): aspartato, glutammato. 15

17 GRUPPI R NON POLARI Le loro catene laterali sono costituite da una catena idrocarburica satura: sono idrofobici. La metionina è uno dei due amminoacidi contenenti zolfo. La prolina ha una caratteristica struttura ad anello, formato dalla catena laterale e dal suo gruppo amminico, e differisce dagli altri amminoacidi perché contiene un gruppo imminico (R-NH-R’). E’ solo moderatamente polare. 16

18 GRUPPI R AROMATICI Sono relativamente non polari (idrofobici).
Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche. I gruppi -OH della tirosina ed NH del triptofano possono formare legami a idrogeno 17

19 GRUPPI R POLARI, NON CARICHI
Sono polari ma in condizioni fisiologiche sono privi di carica elettrica. I loro gruppi -R sono più idrofilici di quelli degli AA non polari: contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l’acqua. La polarità di serina e treonina è dovuta al gruppo ossidrilico (-OH), quella della cisteina al gruppo sulfidrilico (-SH), quella di asparagina e glutammina ai gruppi ammidici (-CONH2), dove sia la porzione carbonilica che quella amminica possono entrare in gioco. 18

20 GRUPPI R CARICHI POSITIVAMENTE (BASICI)
+ H Sono accettori di protoni. Le loro catene laterali, contenenti gruppi amminici, a pH fisiologico sono ionizzate ed hanno carica positiva. L’istidina è debolmente basica (pKa = 6,0) ed a pH fisiologico l’amminoacido libero è in gran parte non ionizzato; quando si trova incorporata in una proteina può recare una carica positiva o essere neutra (proprietà molto importante!) 19

21 GRUPPI R CARICHI NEGATIVAMENTE (ACIDI)
Sono donatori di protoni. I gruppi carbossilici delle loro catene laterali, al pH fisiologico, sono ionizzati ed hanno carica negativa. 20

22 Proprietà acido-basiche degli amminoacidi
Avendo sia il -COOH sia l’-NH2, gli -aminoacidi sono degli elettroliti deboli, sono ionizzati a tutti i valori di pH e la specie neutra non può esistere in soluzione Gli amminoacidi sono zwitterioni (sali interni). Hanno momenti dipolari elevati. Sono, generalmente, solubili in H2O. Sono sostanze cristalline con alti punti di fusione. 21

23 zwitterioni …può agire sia come acido (donatore di protoni) che come base (accettore di protoni). Le sostanze che hanno questa doppia natura si definiscono anfòtere o anfoliti. Al pH fisiologico (valore attorno a 7,4) tutti gli amminoacidi hanno: - il gruppo carbossilico dissociato, si forma lo ione negativo carbossilato (-COO-); - il gruppo amminico protonato (-NH3+) 22

24 Quando gli amminoacidi sono in forma zwitterionica non hanno una carica netta. Il pH al quale la carica netta è 0 viene detto punto isoelettrico (pI). zwitterioni Punto isoelettrico (pI): è il valore di pH al quale un amminoacido ha carica netta 0 cioè è elettricamente neutro. Il pI è una caratteristica di ogni singolo amminoacido 23

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26 Se un amminoacido in soluzione viene sottoposto all’azione di un campo elettrico esterno tenderà :
A migrare verso il catodo (elettrodo negativo) se è in forma cationica. A migrare verso l’anodo (elettrodo positivo) se è in forma anionica. A non migrare se si trova al suo punto isoelettrico (PI). 25

27 R-CH (NH2) COOH → R-CH2-NH2 + CO2
PROPRIETÀ GENERALI Una reazione che interessa anche gli aminoacidi degli alimenti é la loro decarbossilazione ad opera di enzimi di origine endogena (intrinseci all’alimento) o esogena (provenienti da microrganismi): R-CH (NH2) COOH → R-CH2-NH2 + CO2 aminoacido ammina Le ammine sono tutte molecole biologicamente attive, in particolare vasoattive

28 Gli amminoacidi Gli aminoacidi si legano tra loro con un legame detto peptidico, formato dall’unione del gruppo acido con quello amminico per la perdita di una molecola d’acqua. H2N-CH- COOH + H2N -CH-COOH --> H2N-CH-CO-NH-CH-COOH + H2O | | | | R R' R R' Questo è il legame che viene sciolto dal nostro apparato digerente durante la digestione. 26

29 Gli amminoacidi Gli aminoacidi presenti in natura sono 22 le cui combinazioni danno origine ad una grande varietà di proteine Le combinazioni di aminoacidi sono infinite, ma solo alcune (e in ogni modo tantissime) sono proteine Aminoacido 27

30 O G C Z R S A E I N k P J T w y U B D F Q H M L X
Gli amminoacidi Se paragoniamo gli aminoacidi alle diverse lettere dell’alfabeto, potremo dire che come le lettere dell’alfabeto si possono unire a formare le parole, così gli aminoacidi si uniscono a formare le proteine O G C Z R S A E I N k P V J T w y U B D F Q H M L X 28

31 Esistono proteine semplici come parole e proteine complesse come libri
Gli amminoacidi Però non tutte le sequenze di aminoacidi danno proteine esistenti, così come non tutte le lettere messe insieme danno parole di senso compiuto ULASCO non ha alcun significato SCUOLA ha un preciso significato Esistono proteine semplici come parole e proteine complesse come libri 29

32 Gli amminoacidi Otto dei 22 aminoacidi sono detti essenziali, perché il nostro organismo non è capace di sintetizzarli, cioè fabbricarli partendo da altri composti e deve necessariamente prenderli da alimenti che li contengono Le proteine che contengono tutti e otto questi aminoacidi sono dette complete. Aminoacidi essenziali 30

33 Proteine globulari e fibrose
Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali: proteine globulari e fibrose. Proteine globulari Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma compatta, sferica o globulare. Contengono più tipi di struttura secondaria. Le proteine globulari comprendono: enzimi, proteine di trasporto (p.es. albumina, emoglobina), proteine regolatrici, immunoglobuline, etc. 31

34 Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti.
Proteine Fibrose Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti. In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria. Sono insolubili in H2O per la presenza di elevate [ ] di AA idrofobici. Le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche. Sono adatte a ruoli strutturali (p.es. a-cheratina, collageno). 32

35 Proteine Fibrose e Globulari
Proteine Globulari Le proteine possono essere divise in due classi: Proteine fibrose 33

36 Le Proteine Fibrose Sono di origine animali, insolubili in acqua,
Assolvono ruoli strutturali per lo più. Si dividono in tre categorie: le cheratine i collageni le sete Formano tessuti protettivi Formano tessuti connettivi Come i bozzoli dei bachi da seta 34

37 Le Proteine Fibrose Cheratine e collageni hanno strutture ad elica,
Le sete hanno struttura foglietto beta Gruppi apolari e ponti disolfuro tendono a conferire rigidità e insolubilità alle proteine fibrose. 35

38 Le Proteine Globulari Sono solubili in acqua, di forma quasi sferica,
Assolvono funzioni biologiche. Possono essere: Enzimi Ormoni Proteine di trasporto Proteine di deposito 36

39 Mioglobina, proteina globulare che trasporta l’ossigeno nei muscoli.
Le Proteine Globulari Contengono amminoacidi con catene polari e carichi, Sono strutture elicoidali. Mioglobina, proteina globulare che trasporta l’ossigeno nei muscoli. Le interazioni sono dovute a ponti disolfuro, alla polarità o meno dei gruppi R, e alla capacità di formare legame ad idrogeno. 37

40 PEPTIDI Il legame che si instaura fra gli amminoacidi per formare i peptidi e le proteine è un legame ammidico, detto legame peptidico 38

41 Il dipeptide è il più semplice peptide, formato dall’unione di due amminoacidi
Per formare il legame peptidico, un amminoacido mette a disposizione il proprio gruppo –COOH, mentre l’altro amminoacido interviene con il suo gruppo –NH2, con formazione di una molecola di H2O. 39

42 Per esempio la glicilalanina è
I dipeptidi si indicano scrivendo i simboli dei due residui amminoacidici che li costituiscono Per convenzione si scrive partendo da sinistra: l’aminoacido con l’aminogruppo libero+ legame peptidico -CONH- + quello con il gruppo carbossilico libero. La nomenclatura del primo è terminante in –il che sostituisce la desinenza ina Si continua la sequenza aminoacidica con questa sostituzione via via sino all’ultimo aminoacido che mantiene il nome normale Per esempio la glicilalanina è NH2CH2CONHCH(CH3)COOH . 40

43 LA GLICILALANINA È 41

44 Di conseguenza l’azoto non ha il doppietto a sua
Il legame peptidico è scritto come legame semplice covalente, ma in realtà è un ibrido di risonanza che presenta un parziale (40%) carattere di doppio legame tra carbonio ed azoto. Di conseguenza l’azoto non ha il doppietto a sua disposizione per legami con H+ e non può accettare protoni e il legame C-N non può ruotare liberamente 42

45 Perciò il legame peptidico risulta rigido e planare
Perciò il legame peptidico risulta rigido e planare. Così la rotazione attorno al legame C-N è impedita, i quattro atomi del legame peptidico e i 2 C  si trovano sullo stesso piano. La planarità di questi elementi ha conseguenze importanti per le tre strutture tridimensionali delle proteine. 43

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47 Proteine: Sono formate da lunghe catene amminoacidiche
Proteine: Sono formate da lunghe catene amminoacidiche. Queste catene possono assumere conformazioni diverse, così che si hanno quattro livelli di struttura: La struttura primaria di una proteina è una lunga sequenza di amminoacidi legati per mezzo del legame peptidico: il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico di quello adiacente con la liberazione di una molecola d'acqua. 45

48 Struttura secondaria delle proteine, costituita dalla conformazione ordinata che i vari segmenti della catena possono assumere  Gli angoli e le lunghezze di legame sono ben definite: Il gruppo ammidico sta su un piano, L’azoto è ibridato sp2 e il legame peptidico ha un carattere di doppio legame, Ciascun gruppo amminico è planare Ma non è detto che due gruppi amminici adiacenti siano coplanari (nello stesso piano). 46

49 Essenziale per la determinazione della struttura.
La Struttura Secondaria È molto facile formare dei legami idrogeno La catena si avvolge in modo che l’idrogeno di un ammino gruppo si leghi con legame ad idrogeno col carbonile di un altro residuo aa. Essenziale per la determinazione della struttura. 47

50 La Struttura Secondaria
L' α-elica ha un passo di 5.4 Å e ogni spira dell'elica è costituita da 3.6 residui amminoacidici. L'eccezionale stabilità di questa conformazione dipende dal fatto che tutti gli NH e i C=O dei gruppi peptidici sono impegnati in legami a ponte di idrogeno. L‘a-elica è il risultato del ripiegamento probabilmente più "naturale" che una catena peptidica possa assumere. 48

51 La Struttura Secondaria
L' a-elica presente nelle proteine è quasi sempre destrogira (l'andamento è quello della filettatura di una vite tradizionale). 49

52 La Struttura Secondaria
Perché è destrogira? È dovuto al fatto che gli amminoacidi proteici sono tutti nella configurazione "L" e in un'elica sinistrorsa i gruppi laterali R risulterebbero troppo vicini ai gruppi C=O, destabilizzando l'elica. 50

53 La Struttura Secondaria
Le catene laterali R dei residui amminoacidici sono tutte rivolte verso l'esterno dell'elica. Procedendo dall’azoto terminale, tutti i gruppi carbonilici sono rivolti verso il basso. Sono legati con legami ad idrogeno a gruppi N-H che di trovano avanti lungo la catena. 51

54 Struttura a foglietto a pieghe
La Struttura Secondaria Le catene peptidiche sono affacciate e sono tenute assieme da legami ad idrogeno fra le diverse catene. Studiando ai raggi X altre strutture si è trovato un sistema ripetitivo diverso. Con passo di 7 Å. Struttura a foglietto a pieghe 52

55 La Struttura Secondaria
I gruppi R delle due catene si trovano una volta sopra e una volta sotto il piano. Possono dare repulsioni. Quindi la struttura beta si trova in proteine con amminoacidi che presentano R piccoli. 53

56 Struttura terziaria delle proteine, data dai ripiegamenti che le varie proteine assumono per generare la loro forma Struttura quaternaria, che descrive come le varie subunità che eventualmente costituiscono la proteina si assemblano fra loro 54

57 FUNZIONI PROTEINE Modulano l’espressione dei geni (es.ribonucleasi)
Regolano il metabolismo come enzimi e ormoni (es. insulina) Trasportano ioni o molecole attraverso liquidi circolanti o membrane (es. emoglobina) Intervengono nella coagulazione del sangue (es. trombina) Proteggono l’organismo dalle infezioni (es. anticorpi) Intervengono nelle contrazioni muscolari (es. miosina o actina) Partecipano a generazione e trasmissione di impulsi nervosi (es. sinapsina) Costituiscono la struttura di tessuti di sostegno (es. cheratina, fibroina) Rappresentano forme di deposito di principi nutritivi (es. ovoalbumuina, caseina) 55