Le basi chimiche della vita

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Le basi chimiche della vita

  1. 1. Tratto da: “ Atti dell’Accademia Nazionale dei Lincei, 2003, 30, 27-40” “ L’approccio chimico all’interpretazione della reltà ha l’affascinante prerogativa di 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 noi noti 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”
  2. 2. 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
  3. 4. La scala della complessità chimica parte dagli atomi, i più piccoli mattoni della materia, anche se a loro olta sono costituiti da particelle ancora più piccole: elettroni, protoni, neutroni. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo con una velocità 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 atomico La massa atomica corrisponde al numero di protoni+neutroni
  4. 6. Solo circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vita Quattro di questi costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano <ul><li>Ossigeno (O) </li></ul><ul><li>Carbonio (C) </li></ul><ul><li>Idrogeno (H) </li></ul><ul><li>Azoto (N) </li></ul>
  5. 7. 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 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 O 2 è dovuta al fatto che esso entra nella composizione dell’acqua (H 2 O) la sostanza che compone quasi il 90% del nostro organismo
  6. 8. 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) 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 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 Sodio , potassio e Cloro in forma ionica (Na + , K + , Cl - ) sono importanti per l’attività elettrica del neurone (e nelle cellule in generale)
  7. 9. Il comportamento chimico di un atomo dipende dal numero di elettroni presenti nel livello energetico più esterno che vengono definiti “di valenza” Gli atomi si combinano per formare molecole Molecole 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, oltre 15 milioni di molecole sono state ottenute artificialmente (saccarina)
  8. 10. 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 Idrogeno Interazioni idrofobiche e forze di Van der Waals
  9. 11. 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 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) Un atomo di C condivide una coppia di elettroni con ciascuno dei quattro atomi di H cui si lega H H
  10. 12. 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 O 2 ) O O O O
  11. 13. 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) 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’ H
  12. 14. Le molecole polari di importanza biologica contengono uno 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, mentre le più importanti molecole biologiche come proteine e fosfolipidi presentano regioni polari e non polai che si comportano in maniera totalmente differente
  13. 15. 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 L’esempio di come questo trasferimento può legare assieme atomi differenti è dato dal cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina
  14. 16. 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 ) 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 Il cloro “strappa” un elettrone al sodio
  15. 17. 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 - Cationi Anioni Legame Ionico Legame Ionico
  16. 18. Poiché hanno cariche opposte, Na + e Cl - si attraggono Legame Ionico Allo stato solido i due ioni sono strettamente uniti a formare cristalli
  17. 19. 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) 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 formare legami sia con Na + che con Cl - Cl - Na + (-) O H (+) H (+) O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H
  18. 20. <ul><li> L’acqua è una molecola polare </li></ul>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 10 21 molecole (mille miliardi di miliardi) H2O
  19. 21. Per questa proprietà l’acqua partecipa ad un gran numero di interazioni, tutte importanti dal punto di vista biologico: carica-dipolo solvatazione degli ioni dipolo-dipolo solvatazione delle molecole polari van der Waals determina la distanza tra molecole non interagenti con altre forze più intense
  20. 22. Legame a idrogeno 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 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 Proteine, DNA
  21. 23. 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 Le molecole apolari tra loro formano altri tipi di legami… <ul><li>Forze di van der Waals </li></ul>… le quali possono essere biologicamente importanti (es membrana citoplasmatica)
  22. 24. L’interazione si traduce nella tendenza che queste molecole apolari mostrano di unirsi tra di loro escludendo l’acqua... H 2 O
  23. 25. 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
  24. 26. Gruppo ossidrile Gruppo carbossile Gruppo aminico Gruppo fosfato Gruppo carbonile Gruppo carbonile
  25. 27. LEGAMI A IDROGENO e INTERAZIONI IDROFOBICHE sono i due principali legami che determinano la struttura delle BIOMOLECOLE
  26. 28. Interazioni che determinano la struttura delle biomolecole
  27. 29.  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
  28. 30.  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
  29. 31.  Membrane: le interazioni idrofobiche creano il bilayer lipidico modello di membrana cellulare
  30. 32. BIOMOLECOLE TUTTE LE CARATTERISTICHE PROPRIE DI UN ORGANISMO VIVENTE SONO IL RISULTATO DELL’ESISTENZA E DEL FUNZIONAMENTO DI QUATTRO CLASSI DI BIOMOLECOLE .
  31. 33. Le macromolecole organiche <ul><li>Lipidi </li></ul><ul><li>Glucidi </li></ul><ul><li>Proteine </li></ul><ul><li>Acidi nucleici </li></ul>Tecnicamente solo le ultime tre categorie sono costituite da macromolecole
  32. 34. 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 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 esse Vengono continuamente demolite e sostiuite da nuove
  33. 35. 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 L’ idrolisi è in qualche modo il processo inverso: la rottura di un legame mediante l’aggiunta di una molecola d’acqua C C C O H H C C C C H O H H C C C H C C C C H O H O H H
  34. 36. 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 <ul><li>Trigliceridi </li></ul><ul><li>Steroidi </li></ul><ul><li>Fosfolipidi </li></ul><ul><li>Carotenoidi </li></ul>Funzione di deposito Varie funzioni tra cui quella di messaggeri chimici ( ormoni ) Sono la base costituente delle membrane biologiche Fotopigmenti, antiossidanti
  35. 37. Trigliceridi 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 1 gr di grassi  ~ 9 cal 1 gr di zuccheri  ~ 4 cal 1 gr di proteine  ~ 4 cal Olii  liquidi a 20° sono insaturi e presentano molti doppi legami Grassi  solidi a 20° sono saturi I trigliceridi possono essere facilmente accumulati come riserva energetica in tessuti specializzati Gli olii nei semi delle piante I grassi nel tessuto adiposo degli animali Oltre a fornire direttamente energia, il tessuto adiposo può serve a coibentare
  36. 38. Struttura chimica dei Trigliceridi In ciascuna molecola di trigliceride, tre molecole di acidi grassi sono legate ad una molecola di Glicerolo Acido grasso Acido grasso Acido grasso 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 Glicerolo
  37. 39. 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 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 Burro Olio di oliva
  38. 40. Fosfolipidi I fosfolipidi hanno una struttura affine a quella dei trigliceridi dove una delle catene di acidi grassi è sostituita da un gruppo fosforico Gruppo fosforico Fortemente polare Affinità per l’H 2 O Fortemente apolare Affinità per i lipidi Molecola polare Acido grasso Acido grasso Glicerolo
  39. 41. 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 biologiche
  40. 42. Steroidi 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 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
  41. 43. Carboidrati: Monosaccaridi, Disaccaridi e Policaccaridi Sono molecole (CH 2 0) 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 Ribosio e desossiribosio Il 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
  42. 44. 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
  43. 45. Disaccaridi 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 LATTOSIO (lo zucchero del latte) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Galattosio Formazione di un Legame glicosidico
  44. 46. Polisaccaridi Funzione 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. Anche nel regno animale si trovano polisaccaridi con funzione strutturale, ad es. la Chitina (esoscheletro degli insetti) e la galattosammina (cartilagini) Riserva 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 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 .
  45. 47. 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 volta i proteoglicani possono formare complessi giganti, assembalndosi mediante il legame dei loro nuclei proteici con 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
  46. 48. Le macromolecole organiche <ul><li>Lipidi </li></ul><ul><li>Glucidi </li></ul><ul><li>Proteine </li></ul><ul><li>Acidi nucleici </li></ul>
  47. 49. 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 ) Permettono il passaggio selettivo di molecole attraverso la membrana ( Canali Ionici e Pompe ) Trasportano specifiche molecole sia nelle cellule che nei fluidi esterni Attaccano selettivamente gli agenti esterni ( anticorpi del S.I. ) Fungono da messaggeri chimici ( Ormoni e neurotrasmettitori ) 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 Presiedono al movimento sia all’interno della cellula (cilia, trasporto assoplasmatico) che a livello di sistema (es lavoro muscolare)
  48. 50. COME PUO’ UN UNICO TIPO DI MOLECOLA SVOLGERE FUNZIONI COSI’ DIVERSE? GRAZIE ALLE DIVERSE FORME CHE LE PROTEINE POSSONO ASSUMERE ED ALLA CAPACITA’DI INTERAGIRE IN MODO ALTAMENTE SPECIFICO CON ALTRE MOLECOLE
  49. 51. Struttura chimica delle proteine 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 ) 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 grandi possono essere costituite anche da 5.000 aminoacidi. Il polipeptide più lungo trovato è formato da 30.000 aa Sono praticamente gli stessi in tutti i viventi valina Alanina Prolina Arginina valina Lisina valina triptofano triptofano
  50. 52. Ciascuno dei 20 aminoacidi ha: una parte comune agli altri e una parte che è specifica per quell’aminoacido H NH 2 - C-COOH R È la porzione dell’aminoacido che serve a formare il legame peptidico (con gli altri aminoacidi) Residuo aminoacidico 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 Esso fornisce proprietà diversa a ciascuno dei 20 aminoacidi
  51. 54. I venti aminoacidi differiscono tra loro in quanto: <ul><li>I residui sono carichi oppure elettricamente neutri </li></ul><ul><li>I primi possono avere carica positiva o negativa </li></ul><ul><li>Alcuni hanno residui idrofobici mentre altri hanno residui polari </li></ul><ul><li>I residui hanno ingombri molto diversi </li></ul><ul><li>Alcuni residui hanno gruppi funzionali peculiari </li></ul>Questa differenza nelle caratteristiche dei residui Aminoacidici determina sia la struttura tridimensionale della proteina che le sue funzionalità
  52. 55. Le caratteristiche delle catene laterali degli aminoacidi sono importanti 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)
  53. 56. 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)
  54. 57. L’acido glutammico o glutammato è anche uno dei più diffusi neurotrasmettitori (eccitatorio) POLARE CON CARICA ELETTRICA : IL GLUTAMMATO
  55. 58. 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
  56. 59. Il legame peptidico H NH 2 - 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 NH 2 un gruppo carbossilico COOH Il legame peptidico è un legame covalente e si forma tra il gruppo aminico NH 2 di un aminoacido e il gruppo carbossilico COOH dell’altro
  57. 60. R R
  58. 61. 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 sostituzione dell’acido glutammico aa polare con la valina aa non polare
  59. 62. Struttura primaria (sequenza di aminoacidi)
  60. 63. 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) 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
  61. 64. Foglietto β α 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 ) 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
  62. 65. 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 PrP C (proteina prionica cellulare) e PrP Sc (proteina prionica scrapie) : DIFFREISCONO NEL MODO IN CUI LA CATENA POLIPEPTIDICA SI ORGANIZZA NELLA STRUTTURA TRIDIMENSIONALE
  63. 66. 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
  64. 67. 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.
  65. 68. 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.  
  66. 69. CONFORMAZIONI GLOBALI PROTEINE FIBROSE (ES PROTEINE DI STRUTTURA COLLAGENE, ELASTINA, CHERATINA, SETA) PROTEINE GLOBULARI (ES. PROTEINE ALL’INTERNO DELLA CELLULA: MIOGLOBINA)
  67. 70. 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
  68. 71. Alcune proteine mostrano struttura quaternaria in quanto sono composte da più sub-unità distinte: eterodimero o uguali: omodimero, legate tra loro
  69. 72. 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. 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
  70. 73. UN RIPIEGAMENTO NON CORRETTO DELLA PROTEINA PUO’ CONDURRE A CONSEGUENZE FATALI PrPC (proteina prionica cellulare) e PrPSc (proteina prionica scrapie) Peptide B-Amiloide
  71. 74. 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 PROTEINE DA 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
  72. 75. GLI CHAPERONS AGISCONO IN DUE MODI: LEGANDOSI A RESIDUI IDROFOBICI IMPEDISCONO CHE QUESTI POSSANO INTERAGIRE CON ALTRI RESIDUI IDROFOBICI DI PROTEINE VICINE IMPEDISCONO CHE I RESIDUI IDROFOBICI DELLA STESSA PROTEINASI AGGREGHINO PREMATURAMENTE DANDO LUOGO AD UNA CONFORMAZIONE ERRATA
  73. 76. Molecular chaperones: hsp70
  74. 77. CHAPERONINA COMPLESSI PROTEICI CILINDRICI CHE CHE CONTENGONO CAMERE ALL’INTERNO DELLE QUALI I POLIPEPTIDI POSSONO RIPIEGARSI SENZ SUBIRE INTERFERENZE DA PARTE DI ALTRE MACROMOLECOLE PRESENTI NEL CITOSOL
  75. 78. Controllo di qualità della sintesi di proteine
  76. 79. Ubiquitina
  77. 80. Catene di ubiquitine <ul><li>La ubiquitinizzazione prevede l’azione dell’enzima di attivazione, la ligasi il riconoscimento della proteina bersaglio e la formazione della catena di ubiquitine </li></ul>
  78. 81. Meccanismi per degradare le proteine <ul><li>Sia le ubiquitine ligasi che i segnali di degradazione devono essere attivati. Usano meccanismi in parte simili </li></ul>
  79. 82. Gli enzimi 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 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
  80. 83. 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) Energia potenziale Energia di attivazione
  81. 84. 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 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 Il nome della maggior parte degli enzimi è caratterizzato dalla presenza del suffisso –asi (es. DNA-polimerasi)
  82. 85. L’enzima agisce essenzialmente abbassando l’energia di attivazione della reazione L’enzima agisce formando uno specifico complesso enzima substrato. Esso possiede un sito attivo nel quale solo quel particolare substrato si adatta Reazioni esoergoniche 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
  83. 86. 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 Reazioni endoergoniche
  84. 87. 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)
  85. 88. 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. <ul><li>Metabolismo -Reazioni chimiche endoergoniche </li></ul><ul><li>Movimento (es muscolo, movimento ciliare) </li></ul><ul><li>Pompe di membrana (per mantenere la concentrazione di soluti) </li></ul><ul><li>Mantenimento della temperatura corporea </li></ul>
  86. 89. Il metabolismo è organizzato in vie metaboliche Le 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 Vie metaboliche X Enzima A Enzima B Enzima C Z Enzima E Enzima D
  87. 90. Cinetica enzimatica 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 Saturazione dell’enzima 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 Si arriva infine ad un punto un cui continuando ad aggiungere substrato non si ottiene più alcun aumento della velocità della reazione Concentrazione del substrato velocità
  88. 91. 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. 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 agire direttamente sulla funzionalità di un dato enzima agendo su uno dei suoi siti attivi
  89. 92. REGOLAZIONE METABOLICA ALTERAZIONE DELLA ATTIVITA’ ENZIMATICA PER MODIFICAZIONE COVALENTE MODULAZIONE ALLOSTERICA DELLA ATTIVITA’ ENZIMATIVA AGGIUNTA O RIMOZIONE GRUPPI FOSFATO CON CONSEGUENTE MODIFICAZIONE DELLA FORMA DEL SITO ATTIVO DELL’E ENZIMI RESPONSABILI DEL TRASFERIMENTO DL GRUPPO FOSFATO DA ALTRE PROTEINE SONO PROTEIN CHINASI (REGOLANO ATTVIVTA’ ORMONALE, DIVISIONE CELLULARE, ESPRESSIONE GENICA) IL LEGAME DI UN COMPOSTO CON IL SITO ALLOSTERICO DELL’ENZIMA NE MODULA L’ATTIVITA’
  90. 93. Si supponga ad esempio che ci sia un accumulo nella cellula della sostanza X <ul><li>La sostanza X (o un suo metabolita) possono agire: </li></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>1) inibendo l’attività dell’enzima B </li></ul></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>2) inibendo la sintesi dell’enzima B </li></ul></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>3) aumentando la sintesi dell’enzima D </li></ul></ul></ul></ul></ul>DNA DNA X Enzima A Enzima B Enzima C Z Enzima E Enzima D + -- --
  91. 94. 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? Ci sono essenzial-mente due modi: <ul><li>Inibizione competitiva </li></ul><ul><li>Inibizione non competitiva </li></ul>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
  92. 95. L’inibitore non competitivo occupa un altro sito, chiamato 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 Enzima Inibitore non competitivo Substrato Enzima Substrato Sito allosterico
  93. 96. 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
  94. 97. Gli Acidi Nucleici 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 <ul><li>Acido desossirobonucleico o DNA </li></ul><ul><ul><ul><li>È la molecola che contiene le istruzioni per il funzionamento della cellula ( i geni) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Viene trasmesso alle cellule figlie e pertanto costituisce la base chimica del meccanismo dell’eredità </li></ul></ul></ul><ul><li>Acido ribonucleico o RNA </li></ul><ul><ul><ul><li>Trascrive le informazioni dal DNA </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Traduce le informazioni del DNA in proteine </li></ul></ul></ul>
  95. 98. Ciascun nucleotide è formato da tre molecole I diversi nucleotidi sono legati tra loro attraverso il gruppo fosfato <ul><li>Gruppo fosfato </li></ul><ul><li>Zucchero pentoso </li></ul><ul><li>Base azotata </li></ul>Fosfato Zucchero Base azotata Lo zucchero (un pentoso) è: Il Desossiribosio nel DNA Il Ribosio nell’ RNA
  96. 99. L’ RNA è costituito da un singolo filamento I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per la base <ul><li>Ci sono 4 differenti tipi di basi: </li></ul><ul><li>Adenina (Purina ad anello doppio) </li></ul><ul><li>Citosina (Pirimidina ad anello singolo) </li></ul><ul><li>Guanina (Purina) </li></ul><ul><li>Uracile (Pirimidina) </li></ul>L’informazione contenuta negli acidi nucleici è codificata nella sequenza di basi che compongono il filamento (un alfabeto di 4 lettere) RNA
  97. 100. <ul><li>Il DNA è simile per struttura all’ RNA ma: </li></ul><ul><li>Al posto dell’uracile c’è la timina </li></ul><ul><li>Il DNA è costituito da un doppio filamento </li></ul>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) DNA
  98. 101. I due filamenti hanno polarità opposta 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) 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’

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